Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Стерильность ювенильных вулканических отложений. Во время извержений вулканов Тятя (Кунашир) в 1973 г. и Толбачик (Камчатка) в 1975—1976 гг. группой советских вулканологов под руководством Мархинина было отобрано несколько сот проб ювенильных вулкани­ческих пеплов, шлаков и бомб на микробиологические анализы. Осуществить такие отборы, выполнив условия корректности эксперимента, не легко. Представьте себе, что пробы пепла и шлака брали непосредственно у под­ножия извергавшихся конусов во время интенсивных пеплопадов, а мелкие бомбочки — с поверхности еще теплого ювенильного шлака. Образцы крупных бомб от­бирались в зонах вулканических бомбежек от медленно остывающих в воронках, выбитых в шлаке, раскаленных, желто-красных при дневном свете обрывков лавы. В це­лях безопасности одному из сотрудников приходилось наблюдать «за воздухом», в то время как остальные от­бивали раскаленные кусочки и переносили их в простерилизованные банки.

В лабораторных условиях особенно тщательно исследовали пеплы, возможность загрязнения которых микро­организмами выше, чем у других проб. Тем не менее Т. И. Кузякиной, сотрудником Института вулканологии Дальневосточного научного центра Академии наук СССР (в дальнейшем тексте — ДВНЦ АН СССР), проводившей исследования пеплов, микроорганизмы не были обнаружены. Свежевыпавшие пеплы оказались стерильными. Впоследствии этот вывод был подтверж­ден при исследовании пеплов вулканов Алаид (Куриль­ские острова) и Безымянный (Камчатка).

Существовало мнение о том, что свежие вулканичес­кие пеплы неблагоприятны для жизнедеятельности мик­роорганизмов из-за наличия токсических веществ, и только после выноса этих веществ атмосферными вода­ми микроорганизмы поселяются на продуктах изверже­ния вулканов. Для определенных групп микроорганиз­мов это действительно так. Совсем недавно американ­ские ученые установили токсичность пеплов вулкана Сент-Хеленс для сине-зеленых водорослей. Однако при посеве бактерий-тестов на среды, изготовленные из свежевыпавших пеплов вулканов, Камчатки и Куриль­ских островов, не наблюдалось задержки их роста и развития, т. е. они оказались стерильными и не токсич­ными для микроорганизмов.

Колонизация вулканических пеплов микроорганиз­мами. Фаза стерильности вулканических пеплов кратко­временна. Пепел представляет собой субстрат, значи­тельно более благоприятный для жизни микроорганиз­мов, чем скальные вулканические породы. Его освоение микрофлорой идет прежде всего с поверхности в резуль­тате осаждения из воздуха с атмосферными осадками и поверхностными водами. Но также и снизу, с погребен­ной почвы. Это на первый взгляд кажется неожиданным, но анализы показали, что автохтонная микрофлора почвы сохраняется и под вулканическими отложениями.

Тен Хак Мун, О. А. Рогова и Т. И. Кузякина специ­ально изучали процессы микробной колонизации пеплов вулкана Тятя и опубликовали ряд интереснейших работ. В частности, было установлено, что после первого же дождя в свежевыпавших пеплах обнаруживались еди­ничные бактерии. Через два года количество микроорга­низмов исчислялось несколькими десятками тысяч на 1 г, а на следующий год — сотнями тысяч. В среднем за 1 мин на 1 м2 в зоне пеплопада вулкана Тятя в ясную погоду осаждалось около 30 микробных клеток, а в пасмурную по 178—210 клеток. Не все они были спо­собны к жизнедеятельности. В условиях дефицита пита­тельных веществ, недостатка влаги, высокой концентра­ции ионов на свежевыпавших пеплах выживает доволь­но ограниченная группа бактерий, которые характеризу­ются олиготрофным питанием, галотолерантностью и кислотоустойчивостью.

На первых этапах колонизации наиболее часто в пепле встречаются так называемые коринеформные, микобактериалные организмы, и хромогенные бакте­рии. Основную роль в их питании играют вещества, по­ступающие извне. Но они способны ассимилировать и органические соединения, содержащиеся непосредствен­но в пеплах. Межорганизменные взаимоотношения из-за разобщенности микробных популяций играют в это время подчиненную роль. Таким образом, из всех непре­рывно попадающих из воздуха разнообразных микроб­ных клеток пепловые отложения, по сути, селекциониру­ют ограниченную группу бактерий, имеющих широкий диапазон приспособляемости к своеобразным условиям местообитания.

Восьми — десятилетние наблюдения за последователь­ной сменой микробиоценозов в пеплах и шлаках показа­ли, что микробные ассоциации усложняются. На смену микобактериям, флавиобактериям, коринеформам при­ходят актиномицеты, другие грибы, спорообразующие бактерии. Развитие ценоза идет по почвенному типу.

В качестве первопоселенцев на вулканическом суб­страте известны и водоросли. Специалисты, изучавшие эту группу микроорганизмов на отложениях вулканов Суртсэй, Сент-Хеленс, Тяти, выяснили, что в первую очередь пеплы и шлаки заселяют зеленые и желто-зеленые водоросли. Однако очередность и характер колони­зации водорослями вулканических отложений не одина­ковы в разных климатических зонах. Есть сведения, что в тропической области первыми поселяются на вулка­нических отложениях сине-зеленые водоросли (циано-бактерии), тогда как в умеренных широтах они появ­ляются позднее, после мхов.

Преобразование вулканического пепла под действи­ем микроорганизмов. Именно микроорганизмы преобра­зуют вулканический пепел в примитивные почвы. Как это происходит? Процессы почвообразования необычайно сложны и Многоступенчаты. Микроорганизмы, раз­множаясь в бедном органическими веществами грунте, обогащают его и способствуют накоплению гумусовых веществ. Причем непрерывный поток микроорганизмов и других органических веществ из воздуха уже сам по себе может служить источником органического питания для колонизирующих пеплы бактерий. Затем при посте­пенном накоплении органического вещества и образова­нии продуктов жизнедеятельности укореняющегося здесь бактериального населения рано или поздно должна на­ступить стадия экспоненциального размножения многих микробных колонистов.

Водоросли, заселяющие пеплы и шлаки, становятся также источником органического вещества. В связи с развитием водорослей развивается микрофлора и мик­рофауна, особенно амебы. Складываются примитивные экосистемы. Теперь здесь поселяются мхи, лишайники и высшие растения. Отмершие растения, в свою очередь, служат источником энергии жизнедеятельности новых поколений микроорганизмов.

Процессы микробного дыхания и брожения приводят к образованию многочисленных сложных органических соединений, участвующих в биохимическом выветрива­нии пород и минералов. Благодаря главным образом бактериям формируется кора выветривания. Известно, что бактерии, а также диатомовые, зеленые водоросли и грибы способны разрушать алюмосиликаты. Биохими­ческое выветривание горных пород и минералов при участии микроорганизмов можно рассматривать как начальный этап почвообразования. Исследование вулка­нических пеплов и шлаков с этой точки зрения пред­ставляет особый интерес. Установлено, что при помощи метаболитов и слизей микроорганизмов вулканическое стекло пеплов частично превращается в аморфный ми­нерал аллофан.

Разрушая минералы, микроорганизмы превращают зольные элементы в форму, усвояемую высшими расте­ниями. И. А. Соколов, много лет изучавший вулканичес­кие почвы, пишет: «Субстратом для почвообразования служат рыхлые вулканокластические отложения, роль которых как почвообразующих весьма специфична. Мощность Почвенного профиля под влиянием пеплопа­дов непрерывно нарастает, причем самыми молодыми, наименее измененными почвенными процессами оказы­ваются не нижние горизонты, а верхние» (Соколов И. А. Вулканизм и почвообразование на приме­ре Камчатка, —М.: Наука, 1973. — С. 25),

Итак, микроорганизмы, разлагая силикатное вещест­во и обогащая грунты гумусом, способствуют образова­нию на Земле первых почв.

Водоросли в горячих ключах. Вследствие гидротер­мальной деятельности в вулканических районах непос­редственно у вулканов или на удалении от них образу­ются термальные источники. Те, кому приходилось бы­вать на термальных ключах Камчатки и Курильских островов, обязательно обращают внимание на необыч­ный цвет берегов у кромки горячей воды, а также грун­та и камней в воде.

Насыщенный зеленый цвет создают здесь термофиль­ные сине-зеленые водоросли» способные жить при темпе­ратуре до 65°С. Их колонии местами толстым и плотным слоем покрывают склоны, по которым стекает горячая вода. В иных местах они образуют своеобразные пыш­ные подушки, а в ключах с высокой скоростью течения воды они представляют собой нитчатые образования, вытянутые по течению, подвижные, подчас причудливо извивающиеся. Термофильные водоросли создают не­повторимый цветной колорит термопроявлений знамени­той Долины гейзеров и кальдеры вулкана Узон.

Термофильные микроорганизмы. Невероятно, но факт, что некоторые микроорганизмы живут в источни­ках практически при температуре кипения воды. Свое­образная, специфическая группа экстремально термо­фильных микроорганизмов вообще не может расти при температуре ниже 40—45 °С Жизнедеятельность в та­ких условиях обеспечивается особым строением их бел­ков, жиров и ферментов, а также структурных клеточ­ных элементов — оболочки, мембран, рибосом и воз­можностью эффективной репарации тепловых повреж­дений ДНК. Японский микробиолог И. Эмото, пожалуй, первым в 1933 г. обнаружил и выделил из горячих ручь­ев с.кислой реакцией воды несколько видов термофиль­ных тионовых бактерий, развивавшихся при температуре до 80°С. Советский ученый С. И. Кузнецов изучал мик­роорганизмы горячих ключей Камчатки и выяснил их Способность к росту при температурах до 95°С.

Открытие термофильных микроорганизмов в термаль­ных источниках вулканогенного происхождения, пора­жая воображение, вызывает вопросы. А каковы вообще предельные температурные (и иные) условия жизни на нашей планете? Нельзя ли на этих примерах предска­зать возможность жизни на других планетах? Т. Брок с соавторами в США установили, что некоторые микро­организмы размножаются в источниках при еще более высоких температурах, но экстремальное воздействие этих температур, вероятно, усиливается кислой реакци­ей. Потому с повышением кислотности растворов верх­ний предел температур, при которых возможна жизне­деятельность микроорганизмов, понижается. Поиск про­должался.

В 1983 г. в американском журнале «Nature» была опубликована статья И. Бароса и И. Деминга о росте бактерий при температуре более 250°С и очень высоких давлениях. Авторы сообщили, что такие бактерии обна­ружены в подводных гидротермах Восточно-Тихоокеан­ского поднятия в так называемых черных курильщиках. Публикация вызвала сенсацию. Правда, через год. в том же журнале, но другим ученым, Р. Уайтом, эти дан­ные основательно подверглись сомнению и сейчас счи­таются ошибочными. Однако оставим спор о достовер­ности выводов ученым-микробиологам. А вот об откры­тии специфических биологических сообществ в подвод­ных гидротермах и о роли микроорганизмов в их су­ществовании стоит рассказать подробнее.

Находка богатой и необычайно разнообразной фау­ны — своеобразного оазиса в глубоководной пустыне на гидротермальных излияниях в рифтовой зоне Восточно-Тихоокеанского поднятия на глубинах от 2485 до 2595 м справедливо считается одним из замечательнейших отк­рытий последних лет в биологии. Это открытие оделано в 1977—1979 гг. с помощью обитаемых подводных аппа­ратов «Алвин» (США) и «Сиана» (Франция). Совсем недавно аналогичное сообщество открыто советскими учеными у северо-восточных берегов Америки. Суть в том, что вокруг выходов на поверхность дна океана го­рячих вод, содержащих сероводород и ионы тяжелых металлов, обитает множество разных животных: круп­ные двустворчатые моллюски, так называемые вестимен­тиферы (длинные червеобразные трубчатые животные, относящиеся к погонофорам), брюхоногие моллюски, крабы, десятиногие раки-галатеи и другие животные. Они обитают при температуре 20—30°С на границе кис­лородной и бескислородной зон.

Интересно, что сообщество существует за счет сим­биотических бактерий, окисляющих сероводород (а возможно, и метан), и не зависит от первичной продук­ции, которая образуется только за счет энергии Солнца в освещенных им слоях. Как это происходит? Нагляднее всего это продемонстрировать на примере своеобразных живых существ, получивших название рифтий, относя­щихся к уже упоминавшимся вестиментиферам.

Рифтии впервые описаны именно здесь, в районе под­водных гидротерм. Биохимики П. Уильямс, X. Фельбек и Р. Хесслер установили совершенно своеобразный спо­соб питания рифтий. Пищеварительной системы у них нет. Бактерии-симбионты, живущие в трофосоме рифтий, окисляют сероводород, выделяющийся из гидротермаль­ных источников. Это дает им энергию, которую они зат­рачивают на образование органических веществ из угле­кислого газа, который также выделяется из недр. Но от­куда им взять кислород? Ведь в водах, изливающихся из гидротерм, его нет, а бактерии — аэробы. Рифтия поставляет им кислород с собственной кровью. Сама же поедает бактерий или продукты их метаболизма. Таким образом, рифтия — хемоавтотрофное животное, не нуж­дающееся ни в притоке органики извне, ни в свете для фотосинтеза. И все это благодаря симбиотическим бак­териям. По образному выражению К. Н. Несиса, «оазис в глубоководных пустынях — это мир, где не Солнце, а сера — основа жизни».

Считалось, что глубоководный оазис жизни обязан своим существованием гидротермальной деятельности в рифтовой зоне. Однако в 1984 г. подобное биологическое сообщество было открыто в совершенно иной геологиче­ской обстановке. Группа американских биологов и гео­логов под руководством Ч. Полла на аппарате «Алвин» обнаружила богатое сообщество животных на глубине 3266 м у подножия Флоридского эскарпа — почти от­весной известняковой стены (высотой 2000 м), отделяю­щей шельф Западной Флориды от глубоководной равни­ны Мексиканского залива. Здесь оказались мощные пла­сты бактерий, скопления вестиментифер, двустворчатых и брюхоногих моллюсков и многих других животных. Это сообщество обитает у самого обрыва в узкой, 20—30 м полосе — в своеобразной нише. Виды и некоторые роды животных здесь иные, чем в оазисах Восточно-Ти­хоокеанского поднятия, но общий облик сообщества тот же. Только вот район этот тектонически стабильный, нет здесь гидротермальной деятельности, температура воды чуть выше 4°С, т. е. типична для глубоководных слоев океана. Биологическое сообщество в районе развива­ется благодаря проникновению с шельфа концентриро­ванных растворов, содержащих сероводород, аммоний и ионы металлов. Очевидно, и в этом случае животные живут за счет бактерий, окисляющих сероводород.

Термофильные микроорганизмы как геохимический фактор. В последнее десятилетие деятельность микроор­ганизмов в гидротермах вызывает особый интерее ис­следователей. Он обусловлен не столько интригующим примером экстремальной температурной устойчивости микроорганизмов, сколько их мощной геохимической деятельностью, тесной связью гидротермального и мик­робиологического процессов. Микроорганизмы произво­дят большую геохимическую работу, перенося и пере­откладывая в районах активного вулканизма серу, же­лезо, марганец и многие другие элементы. Как это про­исходит на примере термальных полей кальдеры вулка­на Узон, что на Восточной Камчатке, наглядно проде­монстрировали Г. А. Заварзин и Г. А. Карпов.

На термальных полях Узона наблюдаются факти­чески все известные типы газогйдротерм. Не так давно было показано, что здесь формируется мышьяково-сурь­мяно-сульфидное оруденение. Поток глубинных горячих газов выносит на поверхность соединения серы. Под воз­действием аэробных микроорганизмов и тионовых бакте­рий, численность которых достигает 106 клеток на 1 г гравелитов, сера окисляется до серной кислоты. В тех местах, где сера переносится преимущественно в виде сероводорода и контактирует с поверхностными кислы­ми водами, происходит абиогенное образование, ее кол­лоидной формы, которая затем также подвергается бак­териальному окислению. По расчетам, в августе 1981 г. термальная площадь Узона в несколько гектаров поста­вляла в сутки до 4 т серной кислоты. При благоприят­ной гидрогеологической обстановке по стоку вод можно ожидать образования -1 т/га серной кислоты в сутки с максимумами до 1,5—2,5 т/га в сутки.

Сернокислое выщелачивание, обусловленное деятельностью бактерий, приводит к выносу практически всех элементов (кроме кремнезема), которые затем отлага­ются при контакте с поверхностными водами. С этим связаны процессы образования на Узоне минералов, со­держащих мышьяк, сурьму и железо. Мышьяк, напри­мер, у поверхности вступает в реакцию с сероводородом и образует сульфиды, которые, в свою очередь, являют­ся субстратом для развития тионовых бактерий. В ре­зультате деятельности бактерий образуется серная кис­лота и скородит — нерастворимый окисел мышьяка. Скородит вновь может восстанавливаться в сульфиды глубинным сероводородом, и таким образом, благодаря циклу минеральных превращений идет обогащение мышьяком приповерхностного слоя пород.

Термальные поля Узона — это поистине бесценная природная лаборатория по изучению процессов минералорудообразования. Какова деятельность термофильных бактерий в этих процессах? Установлено, что даже на одном источнике здесь развиваются несколько видов тер­мофильных бактерий разных, так сказать, «специально­стей». Те, что в истоке, при наличии в газах водорода восстанавливают сульфатную серу до сульфидной, дру­гие, развиваясь ниже по течению, окисляют сульфидную, серу до серы элементарной, которая и оседает на коло­ниях бактерий, придавая им необычный белый цвет.

На мощных термальных полях вулканогенного проис­хождения часто можно видеть обнажения разноцветных глин. Ярко-рыжие, серые, голубые, красные, белые, они иногда занимают огромные площади. Эти глины воз­никли в результате переработки горных; пород кислыми растворами. Однозначно установлено, что серную кис­лоту на термальных площадках производят тионовые бактерии.

В последнее время активно исследуют процессы взаимодействия микроорганизмов и газовых составляю­щих гидротерм, которые, трансформируясь, поставляют энергию для этих организмов. Особенно интересно обра­зование в гидротермах метана. Анаэробные метанообразующие и сероредуцирующие бактерии, выделенные на Узоне (Камчатка), в силу особенностей ультраструк­туры принадлежат к группе древнейших организмов — архебактериям. Микробиологи Г. А. Заварзин, Н. Е. Ми­шустин и другие считают, что микроорганизмы горячих источников — реликт примордиальных организмов.

По мнению Заварзина, бактерии, первые обитатели Земли, сформировали ее атмосферу из продуктов вулка­нических газовых эксгаляций. «Последующая эволюция накладывалась на эту систему, сформированную бакте­риями, видоизменяя масштабы, но не нарушая устано­вившихся связей и круговоротов элементов» (См.: Бактерии гидротерм и состав атмосферы. — Тезисы док­ладов VI Всесоюзного вулканологического совещания, — Вып. 3. — Петропавловск-Камчатский, 1985. — С. 221—222), Таким образам, изучение взаимодействия бактерий с газами в гидротермах позволяет построить современную модель для исследования процессов формирования атмосферы, хотя масштабы этих процессов сейчас, конечно, несопо­ставимы с условиями геологического прошлого. В той же кальдере Узона цианобактериальные сообщества активно поглощают сероводород, водород, углекислый газ, продуцируя кислород. В средах, имитирующих со­став первоначально выделяющихся газов, уже через пять суток происходило поглощение углекислоты и во­дорода и обогащение системы кислородом.

Итак, в результате жизнедеятельности микроорга­низмов преобразуются вулканические продукты во всех средах — на суше, в воде и в воздухе. По сути, при их участии формируется биогенно-вулканогенный тип кру­говорота вещества и энергии, в котором затем участву­ют растения и животные. Эту роль микроорганизмов в становлении глобальной экосистемы трудно переоценить. В изучении экологического звена «микроорганизмы — продукты извержения вулканов» — одного из важней­ших на нашей планете — сделаны лишь первые шаги.