Парадокс холода и жизни: почему арктические микробы процветают в экстремальных условиях

Когда научно-исследовательское судно RV Polarstern вошло в сердце Северного Ледовитого океана, исследователи ожидали найти одно — пустоту.

В этих водах, под плотным слоем льда, почти не поступает солнечного света, а азот — основной строительный элемент жизни — встречается в крайне малых количествах.

Но в пробах, собранных с тринадцати арктических станций, датские учёные зафиксировали высокую активность азотфиксации - процесса, при котором бактерии превращают атмосферный азот (N₂) в соединения, пригодные для использования другими организмами.

"До сих пор считалось, что фиксация азота под морским льдом невозможна, — признаётся руководитель исследования, микробиолог доктор Лиза фон Фризен. — Мы ошибались".

Невидимые инженеры экосистемы

Главные герои этого открытия — нецианобактериальные диазотрофы (НЦД).
В отличие от привычных нам цианобактерий (тех самых "сине-зелёных водорослей"), они не фотосинтезируют и не нуждаются в свете.
Эти микроорганизмы извлекают энергию из растворённых органических веществ, например остатков водорослей, а затем используют её для фиксации азота.

То есть они превращают невидимый газ из атмосферы в аммоний — соединение, без которого не может расти ни одна форма жизни в океане.

Получается своеобразный "обмен веществ":

• бактерии кормятся органическими остатками,

• производят связанный азот,

• а этот азот питает водоросли, которые снова создают органику — и цикл замыкается.

Как измеряли "невидимую жизнь”

Работа в Арктике требует не только научных знаний, но и выносливости.
Команда учёных дважды отправлялась в полевые экспедиции в 2021 и 2022 годах.
На борту немецкого судна Polarstern исследователи проводили замеры азотфиксации в пробах воды, собранных с разных глубин и на разных участках льда.

Самые высокие показатели зафиксировали на кромке льда — там, где он активно тает.
Именно там происходит смешение пресной и солёной воды, создающее уникальные химические условия, благоприятные для микробов.

Азотфиксация — сердце океанской жизни

Процесс фиксации азота лежит в основе биохимии планеты.
Большинство организмов не способны напрямую использовать азот из воздуха.
Только особые бактерии, такие как НЦД, умеют "связывать" этот газ, превращая его в аммоний (NH₄⁺), который становится пищей для водорослей.

Каждая капля, насыщенная этими бактериями, — маленький биореактор, от которого зависит весь арктический пищевой цикл:
от микроскопических диатомей до гигантских китов.

Парадокс холода и жизни

Главная загадка открытия в том, почему эти микроорганизмы вообще существуют в столь бедной среде.
Традиционно считалось, что фиксация азота требует тёплых, богатых питательными веществами вод.
Но результаты экспериментов показывают:
даже при температуре около -1,5°C активность фиксации остаётся удивительно высокой.

Учёные предполагают, что потепление климата частично способствует этому феномену.
Таяние льда увеличивает количество органических веществ в воде и создаёт "мозаичные зоны" с благоприятными условиями для роста микробов.

Обратная сторона открытия

Однако не всё так радужно.
Если таяние льда продолжится, а арктические воды станут богаче азотом, это может вызвать бурное "цветение” водорослей.
Такое явление выглядит живописно из космоса, но в действительности — это экологическая катастрофа:
водоросли вытесняют кислород из воды, отравляют морских обитателей токсинами и нарушают баланс всей экосистемы.

Арктика как лаборатория будущего

Исследователи считают, что открытие подо льдом Северного Ледовитого океана может иметь глобальные последствия.
Если микробы способны активно фиксировать азот в экстремально холодных и бедных условиях, это меняет наши представления о пределах жизни на Земле — и, возможно, на других планетах.

Подобные бактерии могут существовать, например, на спутниках Юпитера и Сатурна - Европе и Энцеладе, где подо льдом скрыты океаны.

Что это значит для нас

Это открытие не только расширяет границы микробиологии, но и заставляет пересмотреть прогнозы по изменению климата.
Азот — ключевой элемент в круговороте углерода, и если под арктическим льдом активнее фиксируется азот, чем считалось ранее, это может изменить модели поглощения CO₂ и темпы глобального потепления.

Арктика, некогда считавшаяся "замороженной лабораторией", превращается в динамичную экосистему, где малейшее изменение температуры влияет на баланс всей планеты.

Частые вопросы

Что такое нецианобактериальные диазотрофы?
Это бактерии и археи, которые способны связывать атмосферный азот, но не используют фотосинтез. Они питаются органическими веществами, растворёнными в воде.

Почему их открытие так важно?
До сих пор считалось, что фиксация азота невозможна подо льдом из-за холода и нехватки питательных веществ. Это открытие доказывает обратное — жизнь адаптируется даже в экстремальных условиях.

Как это связано с изменением климата?
Таяние льда создаёт благоприятные условия для роста таких бактерий. Это может увеличить продуктивность океана, но также привести к вредным цветениям водорослей.

Может ли это повлиять на глобальную экосистему?
Да. Повышенная фиксация азота изменяет круговорот питательных веществ и, возможно, баланс углерода, влияя на климат всей планеты.

Есть ли аналогичные формы жизни вне Земли?
Похожие микробы могли бы существовать в подлёдных океанах Европы или Энцелада — где, как и в Арктике, темно, холодно и полно растворённых минералов.