Лід - зберігач життя
До останнього часу наука мало цікавилася пошуками життя в умовах негативних температур та "мерзлих" середовищ. Вважалося, що "життя" та "лід" - речі "неспільні". Але дійсність виявилася багатшою уяви - життя було виявлено у високогірних снігах, морських льодах та льодовиках. Одне з останніх відкриттів зроблено вченими з іркутського Лімнологічного інституту: у крижаному покриві Байкалу виявлено дивовижні кріофільні спільноти живих організмів.
Середовищем проживання для цих байкальських "полярників" служить міжкристалічна вода, що заповнює пори і капіляри в льоду, що тане. Прозорі пальцеподібні "келики" з помаранчевими вкрапленнями, що звисають у воду величезні слизові "бороди" - серед них метушаться інфузорії, молодь риб і бокоплавів ... Всі ці багаті за різноманітністю і чисельністю льодові "джунглі" складають зовсім незвичайне для прісноводного водоймища. таємниць.
Повіками людина сприймала крижане царство як неживий світ — світ білої безмовності та застиглого часу. Саме таким постає образ Півночі у відомій казці про Каї та Герду. Зима для нас - це час, коли природа завмирає і занурюється у сон до весни. Але чи це так насправді? Можливо, і нам правильно побачити дійсність заважає уламок чарівного дзеркала Снігової королеви?
Біологічна наука досі мало цікавилася пошуками життя за умов холоду, оскільки вважалося, що життєві процеси протікають лише за позитивних температурах. При температурі 0оС вода замерзає, тому вважали, що ніякі форми життя не можуть бути активними в ній. Вони переважно повинні або загинути, або впасти в стан анабіозу. Однак поступово почали накопичуватись відомостіпро придатність мерзлих середовищ для життя. Використовуючи антифризи або в рідких капсулах і капілярах, організми змогли пристосуватися до суворих умов існування. Дивно, але життя було виявлено у високогірних снігах, арктичних та антарктичних льодах та льодовиках.
Відкриття останнього часу дозволили по-іншому поглянути на можливості льоду як довкілля для живих істот. Виявилося, що на запитання: «Чи можливе життя в льоду?», можна відповісти: «Можливо, та ще яке бурхливе!».
Це вперше було виявлено в морських льодах наприкінці ХІХ століття експедицією Ф. Нансена. Влітку 1894 р. знаменитий дослідник і мандрівник виявив на краях крижаних брил скупчення водоростей, що спускаються в морську воду. Зараз ми багато чого дізналися про полярний «кривавий» сніг, що набуває цього дивовижного забарвлення завдяки організмам, що розвиваються в ньому, про багате населення морських льодів Антарктиди і Арктики. Водночас довгий час вважалося, що у прісних льодах живі істоти функціонувати не можуть, тому ці льоди містять лише замерзлі організми. Передбачалося, що ці істоти знаходяться там у стані анабіозу або в стадії спокою (спори, цисти, яйця, що покояться, і т. д.), і можуть «оживати» тільки після танення льоду. На відміну від населення морських льодів ці прісноводні спільноти були виділені у спеціальний клас, який отримав назву анабіоценоз.
Причина невдач у дослідженні життя у прісних льодах криється в наступному. Лід є складною структурою і складається з трьох фаз: твердої, рідкої та газоподібної. Рідка фаза морського льоду є насиченим сольовим розчином, що утворюється при замерзанні морської води. Він займає відносно великий обсяг, заповнюючи розвинену мережу порожнин і каналів, і являє собою добре захищене,специфічне місце проживання для живої спільноти.
На відміну від морського прісний лід монолітний. У звичайному стані його рідка фаза займає занадто маленький об'єм, недостатній для розвитку в ньому організмів більших за бактерії. У цьому монолітному («чорному») льоду активне життя практично відсутнє. Однак у прісних льодових покривах, де рідка фаза займає відносно великий обсяг (як, наприклад, у сніжно-льодовій «каші» Альпійських та Піренейських озер), нещодавно було виявлено льодову спільноту, до якої входять різноманітні мікроорганізми, водорості та найпростіші.
Добре розвинена система пор і каналів, заповнених талою водою, виникає між крижаними кристалами і в пухкому льоду, що тане. Саме під час танення «чорного» льоду виникає зовсім незвичайний біотоп, у якому здатні розвиватися прісноводні організми. Крім того, у період між інтенсивним намерзанням та таненням прісного льоду його нижня поверхня може обростати водоростями, що було вперше виявлено на річці Амур. Нещодавно і в байкальському льоду нами були виявленікріофільні(грец.,кріо— холод,філо— люблячий) організми, що успішно розмножуються в міжкристалічній воді. До речі, раніше крижаний покрив Байкалу не привертав до себе пильної уваги дослідників, оскільки з вищезгаданих причин вважалося, що життя там бути не може.
Байкальські полярники
Навесні, коли сонце щедро дарує своє тепло природі, що прокидається, ці вкраплення життя створюють усередині байкальського льоду химерні структури. Водорості, що заселяють вертикальні капіляри льоду, звисають у воду у вигляді різних слизових шнурів або борід. Інші утворюють у крижаній товщі своєрідні «вази», «келики» або «колби», заповнені щільними слизовими скупченнямибурого кольору. У слизу водоростей мешкають різноманітні бактерії. Розмножуючись і заповнюючи собою все нові обсяги талої води, водорості пронизують всю метрову товщу льоду і випадають у підлідну воду, продовжуючи там свій розвиток.
Буяння життя в льоду і відразу під ним у цей час — надзвичайне. На агрегаціях водоростей пасуться різноманітні байкальські тварини. У цих льодових «джунглях» снують туди-сюди ділові інфузорії та коловратки, накопичується молодь знаменитого байкальського рачкаепішури, і навіть мальки риб і донні бокоплави знаходять тут собі дах і їжу.
Після танення льоду всі льодові організми потрапляють у товщу води, де потім живуть тривалий час і є кормом для видів тварин, що вільно живуть. У міру прогрівання верхнього шару води водорості поступово осідають на дно озера, огортаючи його величезними слизовими оболонками. Восени льодові рослинні організми знову повертаються на «зимівлю» — річний цикл замикається, і повторюється знову.
Хто і як живе у льоду
У різні роки в системі пір і мікротріщин таючого байкальського льоду розвиваються різні спільноти. Їх структура залежить від складу масових видів водоростей, що мешкають у товщі води. На даний момент нами виділено два варіанти: перший - на основі ендемічнихдинофітовихводоростей пологівGymnodiniumтаPeridinium; другий - на основі ендемічних діатомових водоростей родуAulacoseira. Загальна кількість водоростей-кріофілів, що мешкають у льоду товщиною 60-70 см, часто на два-три порядки перевищує чисельність цих видів у підлідному планктоні! Звертає увагу також дуже нерівномірний розподіл цих спільнот на самому льоду.
Цікаво, що в торосистій частині, на нерівній поверхні льоду, в різнихвпадинках і тріщинах розвиваються переважно великі донні водорості, а не планктонні. Цей дивовижний «ліс» удосталь заселяється і донними безхребетними тваринами.
На Байкалі можна відкривати не лише нові види, пологи та сімейства, а й навіть нові спільноти організмів!
За основними структурними характеристиками льодові угруповання Байкалу схожі на угруповання організмів морського льоду. В обох випадках спостерігається виражена ярусність вертикального та нерівномірність горизонтального розподілу організмів. Одні й ті самі близькі пологи водоростей, джгутикових і інфузорій домінують як і морському, і прісному льоду. Схожий і склад інших груп організмів, що входять до спільноти. Дивно, що хоча довкілля їх досить полярні — солона морська і практично дистильована тала байкальська вода — відмінності між членами морських і прісноводних угруповань існують лише на видовому рівні.
Тим не менш, деякі принципові відмінності між спільнотами все ж таки є. Насамперед слід відзначити відносну стислість, ефемерність існування спільнот у прісноводних льодах. По-друге, у прісній воді спільноти, що мешкають у мікротріщинах та на нижній поверхні льоду, рознесені у часі. Спочатку, поки лід ще монолітний, розвиваються лише обростання, потім, у міру танення льоду, з'являються співтовариства в льодовій товщі. У морському ж льоду всі ці спільноти співіснують одночасно. Крім того, у морських системах виявлено специфічні види, які живуть лише у кріофільних спільнотах. Незважаючи на те, що майже половина видів, що заселяють байкальський лід, є ендеміками, специфічних кріофільних видів, крім бактерій, у Байкалі не виявлено.
У льодових обіймах
Основним постачальником(донором) для ефемерних льодових угруповань Байкалу служитьпланктонозера (жителі його товщі) ібентос(мешканці дна). Як показали наші експерименти, головним із трьох можливих шляхів заселення байкальського льоду для угруповань мікротріщин єпогон(вмерзлі в лід організми, що перебувають у стані анабіозу або в стадії спокою), а для угруповань нижньої частини льоду — підлідна вода.
Колонізація через атмосферу не відіграє великої ролі. Однак надходження неорганічної та органічної речовини з атмосферними опадами та за допомогою вітру можуть досить сильно впливати на хімічний склад середовища, у даному випадку – талу воду. На відміну від морів лід і тала вода в Байкалі настільки слабко мінералізовані і бідні на органіку, що близькі за складом до чистої дистильованої води. Тому джерела харчування для такої рясної спільноти при такому бідному довкіллі залишаються під питанням.
Здається неймовірною і поки незрозумілою напрочуд висока швидкість розвитку льодових водоростей і найпростіших у байкальських льодових спільнотах. У літературі ми знайшли лише одну згадку про подібне явище в морських спільнотах, яке до того ж допускає двояке тлумачення. Факт прискореного розвитку кріофілів на Байкалі не викликає сумнівів, оскільки щоденний приріст колоній льодових водоростей можна вимірювати мало не в сантиметрах. І це відбувається за майже повної відсутності поживних речовин і температури, близької або рівної нулю! Можливо, тут дається взнаки горезвісний «феномен талої води»? А може, в цих ефемерних спільнотах наводяться в дію якісь регуляторні механізми (клітинні чи популяційні) подібно до того, як це відбувається в пустелях у сезон дощів, або в коротке полярне літо?
Відкриття у крижаному покриві Байкалу ранішеприхованого бурхливого життя поставило багато питань, і не тільки перед біологами. Які фізико-хімічні особливості довкілля, який, на перший погляд, позбавлений всіх необхідних для життя поживних речовин? У чому полягає особлива привабливість капілярної води для організмів? І, нарешті, як вивчати біологічні процеси у цьому середовищі? На всі ці запитання поки що немає вичерпних відповідей. Але сама проблема настільки цікава та багатообіцяюча, що потребує залучення широкого кола фахівців різного профілю: фізиків, цитологів, фізіологів, медиків.
Важливе відкриття нещодавно було зроблено у далекій Антарктиді. Під українською станцією «Схід» у крижаному панцирі було пробурено свердловину завглибшки 4 км. У кернах льоду, вік якого налічує мільйони років, було виявлено живі мікроорганізми. Яким чином за таких умов і протягом такого тривалого часу вони змогли зберегти життєздатність?
Ще багато загадок зберігає кригу. Одну з них, найважливішу, людині вдалося розгадати. Лід — не мляве царство жорстокої Снігової королеви. Він - комора біорізноманіття, дбайливий Зберігач життя. Життя, яке процвітає в теплих обіймах льоду.
У статті використано фотографії О. О. Тимошкіна