За образование облаков отвечают микробы

Образование первичных кристаллов льда в облаках и последующие снегопады связаны с присутствием в атмосфере живых микроорганизмов. На снимке — слоисто-дождевые облака (Nimbostratus, Ns), которые летом приносят нам дождь, а зимой снег. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Американские и французские ученые оценили, какую роль играют живые объекты в образовании кристалликов льда в облаках. Образование таких кристалликов (ядер замерзания) — начальная ступень в сложном процессе выпадения снежных осадков. Выяснилось, что ядрами замерзания становились в основном (на 25-100%) ДНК-содержащие объекты, которые разрушались при нагревании и под действием растворяющих ферментов. Бактериальное сообщество тропосферы еще совершенно не изучено, но полученные результаты говорят о том, что его влиянии на климат нашей планеты явно недооценено.

Какими только существами человек не наделял небеса: сначала там жили боги разных национальностей, вместе с ними там летали влюбленные, включая и «Lucy in the sky», затем небо опустело, отданное на откуп законам физики, химии и самолетам, в какой-то момент за небо взялись биологи. И атмосфера постепенно заселилась микробами.

Примерно 150 лет назад Пастер начал изучать микроорганизмы, летающие в воздухе. С помощью специального приспособления типа велосипедного насоса он брал пробы воздуха высоко в горах и вокруг парижских помоек с тем, чтобы понять, сколько и каких микробов находится в воздушной среде. Ясно, что по числу и разнообразию микробов парижские помойки держали лидерство. После пастеровских экспериментов воздух рассматривался как среда, через которую могут переноситься болезнетворные микробы.

В 80-е годы XX века ученые собрали данные о составе аэрозолей в воздухе. Оказалось, что в атмосфере содержится огромное количество биологических частиц, в том числе и живых клеток: водорослей, бактерий, одноклеточных животных, спор грибов, пыльцы. Эти живые клетки могут перемещаться на колоссальные расстояния, не теряя своей жизнеспособности. Возникло представление об аэропланктоне, который, подобно планктону морскому, существует во взвешенном состоянии в трехмерной среде, пассивно следуя течениям. Считалось, что аэропланктон — это полностью привнесенный элемент атмосферы, местом его рождения являются суша или море, а полет над родными стихиями — случайный (для морских и почвенных микроорганизмов) или эпизодический (для пыльцы и спор) момент жизненного цикла.

Но в начале текущего века было сделано поразительное открытие. Некоторые бактерии, находясь в облаках, продолжают активную жизнедеятельность, синтез белков, деление. Таким образом, аэропланктон приобрел черты самостоятельности, по крайней мере часть его могла использовать атмосферу как постоянное местообитание или как место длительного пребывания. А коль скоро аэропланктон — постоянный компонент атмосферы, то стоило задуматься о той роли, которую он играет в своем окружении и как он его изменяет.

Параллельно с исследованием аэропланктона было показано, что бактерии принципиально могут служить центрами образования кристалликов льда и дождевых капель в облаках. Образование облаков и последующее выпадение осадков начинается с нуклеации , то есть образования первичных капель или кристаллов; затем за счет конденсации и коагуляции капли увеличиваются и выпадают в виде дождя или снега. Ядрами нуклеации могут стать гидрофильные твердые или жидкие частицы размером от нескольких десятых микрометра до нескольких микрометров. А в качестве ядер замерзания, то есть нуклеации льда, выступают частицы того же размера, но их природа и механизм образования первичных кристаллов неизвестны.

Опытным путем установлено, что некоторые бактерии являются превосходными ядрами замерзания, присутствие их в атмосфере ускоряет процесс образования облаков. Активным агентом нуклеации, как выяснилось, работают белки клеточной стенки. Таким образом, присутствие в составе аэропланктона бактерий может ускорить образование облаков. Итак, бактерии оказываются ускорителями образования облаков, но, возможно, всё это любопытные, но экзотические явления, в буквальном смысле не делающие погоды.

Чтобы понять, насколько велик вклад микроорганизмов в процесс образования облаков, ученые задались целью оценить, сколько содержится бактерий в общей массе частиц-нуклеаторов. По одним оценкам, около 25% всех нуклеаторов составляют биологические объекты (содержащие белки), по другим оценкам — около 74%. Количество их не зависит от времени года и широты места. Примерно 20% от общего числа биологических аэрозольных частиц распространены всесветно. Они есть повсюду, даже над Антарктидой.

В новом исследовании показано, что образование ядер замерзания еще теснее связано с присутствием в атмосфере микроорганизмов. Это исследование провели специалисты из Университета штата Луизиана (Батон-Руж, США), Университета штата Монтана (Бозман, США) и Национального исследовательского института агрономии (Монфаве, Франция). Ученые изучили пробы снега, взятые после снегопадов в различных районах мира: в Южной Франции (Альпы и Пиренеи), в США (штат Монтана), в Антарктиде (остров Росса) и на канадской территории Юкон (ледник Витон).

Пробы снега расплавили, выделили все твердые частицы и далее провели изящный эксперимент. Размешали частицы в меньшем объеме воды и, чтобы продемонстрировать пригодность данных частиц в качестве ядер замерзания, заморозили при температуре минус 2–9°C. Потом пробы снова расплавили, часть обработали лизоцимом — ферментом, разрушающим оболочку бактериальных клеток, другую часть нагрели до температуры 95°C. А оставшуюся часть оставили без изменений в качестве контроля.

Оказалось, что нагревание снижает способность образовывать кристаллы льда: кристаллообразование замедлялось на 69–100% (при нагревании инактивировалось 69–100% ядер нуклеации). Из обработанных лизоцимом вновь замерзали только около четверти пробирок. Контрольные образцы не изменили своей способности к повторному замерзанию. Ученые предполагают, что тем активным агентом, который терял рабочую форму при нагревании, был белок клеточных стенок. При этом опыты с лизоцимом показали, что клеточная стенка должна быть еще и неповрежденной, только тогда белки были в состоянии исполнять свою «метеорологическую» функцию.

Удивительно, насколько высокой оказалась доля белков и живых микроорганизмов среди всех частиц, вызывающих кристаллизацию воды, — она составила не менее 69%. А мы при этом даже не знаем, каково постоянное микронаселение облаков и как устроены эти обширнейшие экосистемы. И тем более пока не готовы включить этот внушительный компонент в модели климата планеты.

Источники:
1) Brent C. Christner, Cindy E. Morris, Christine M. Foreman, Rongman Cai, David C. Sands. Ubiquity of Biological ice nucleator in snowfall // Science. 2008. V. 319. P. 1214.
2) C. E. Morris, D. C. Sands, M. Bardin, R. Jaenicke, B. Vogel, C. Leyronas, P. A. Ariya, R. Psenner. Microbiology and atmospheric processes: an upcoming era of research on bio-meteorology // Biogeosciences Discuss., 5, 191–212, 2008 — превосходный обзор по аэропланктону; описан его состав, разнообразие, предположительные источники, пространственное распределение.

См. также:
Ruprecht Jaenicke. Abundance of cellular material and proteins in the atmosphere // Science. 2005. V. 308. P. 73.

Елена Наймарк

Последние новости: Микробиология, Науки о Земле, Елена Наймарк

21 мая Попробуй копнуть глубже, или Сколько кислорода в океанических осадках?

19 мая Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре

15 мая Обилие редких мутаций в генофонде человечества существенно превышает современные оценки

12 мая Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами

3 мая Доказано древнее происхождение белых медведей

24 апреля Личинки губок видят нетрадиционным способом

18 апреля Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

11 апреля «Прекрасный король в перьях» — новый динозавр из Китая

9 апреля В эволюции бактерий горизонтальный генетический обмен играет ту же роль, что и половое размножение у высших организмов

8 апреля Озеро Восток и его обитатели

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):