Триллионы бактерий, грибков, вирусов и одноклеточных организмов путешествуют по земному шару высоко в атмосфере. Ученые обнаруживают, что они играют жизненно важную роль в погоде и даже в нашем здоровье.
Облака — наши спутники на всю жизнь. Иногда они плывут над головой, как тонкие филигранные узоры. В другие дни они затемняют небо и проливают на нас дождь. Но при всей нашей знакомости с этими завесами водяного пара они хранят от нас секрет. Облака на самом деле являются плавающими островами жизни, домом для триллионов организмов тысяч видов.
Вместе с птицами, стрекозами и семенами одуванчиков по воздуху путешествуетогромный океан микроскопических организмов . Французский химик Луи Пастер был одним из первых ученых, распознавших то, что ученые сейчас называют аэробиомом в 1860 году. Он держал стерильные колбы с бульоном и позволял плавающим микробам осесть в них , превращая прозрачный бульон в мутный. Пастер ловил микробов на улицах Парижа, во французской сельской местности и даже на вершине ледника в Альпах. Но его современники воспротивились этой идее . «Мир, в который вы хотите нас перенести, действительно слишком фантастичен», — сказал тогда Пастеру один журналист.
Потребовались десятилетия, чтобы люди приняли реальность аэробиома. В 1930-х годах несколько ученых поднялись в небо на самолетах , держа предметные стекла и чашки Петри, чтобы поймать споры грибков и бактерии на ветру. Экспедиции на воздушных шарах в стратосферу также захватывали клетки там . Сегодня аэробиологи 21-го века размещают сложные пробоотборники воздуха на беспилотникахи используют технологию секвенирования ДНК для идентификации воздушной жизни по ее генам. Теперь исследователи признают, что аэробиом — это огромная среда обитания, заполненная только посетителями .
Карл Циммер
Карл Циммер пишет колонку "Origins" для New York Times и является автором 15 книг о науке. Его последняя книга называется Air-Borne: The Hidden History of the Life We Breathe , из которой и адаптирован этот текст.
Эти гости прибывают с большей части поверхности планеты. Каждый раз, когда разбивается океанская волна, она выбрасывает в воздух мелкие капли морской воды, некоторые из которых переносят вирусы, бактерии, водоросли и другие одноклеточные организмы . В то время как некоторые капли быстро падают обратно в океан, некоторые подхватываются ветром и поднимаются в небо , где они могут переноситься на тысячи миль.
На суше ветры могут чистить землю, поднимая бактерии, грибки и другие организмы . Каждое утро, когда солнце встает и вода испаряется в воздух, оно может также поднимать микроскопические организмы. Лесные пожары создают сильные восходящие потоки воздуха, которые могут высасывать микробы из земли и срывать их со стволов и листьев деревьев, перенося их вверх с поднимающимся дымом .
Многие виды не просто ждут, когда физические силы поднимут их в воздух. Например, мхи вырастают в стебель с мешочком спор на конце , который они выпускают в воздух, как клубы дыма. На один квадратный метр болота за одно лето может упасть до шести миллионов спор мха. Многие виды опыляющих растений занимаются сексом, выпуская миллиарды переносимых по воздуху зерен пыльцы каждую весну.
Грибы особенно искусны в полете. Они развили биологические пушки и другие средства для выстреливания спорами в воздух , а их споры оснащены прочными оболочками и другими приспособлениями, чтобы выдерживать суровые условия, с которыми они сталкиваются, путешествуя так высоко, как стратосфера. Грибы были обнаружены на высоте до 12 миль (20 км)над открытым океаном Тихого океана, принесенными туда ветром.
По одной из оценок, около триллиона триллионов бактериальных клеток поднимаются каждый год с суши и моря в небо. По другой оценке, 50 миллионов тонн спор грибов попадают в воздух за то же время. Неисчислимое количество вирусов, лишайников, водорослей и других микроскопических форм жизни также поднимаются в воздух. Обычно они путешествуют в течение нескольких дней перед приземлением , за это время они могут пролететь сотни или тысячи миль.
Во время этой одиссеи организм может попасть в область воздуха, где водяной пар конденсируется в капли. Вскоре он оказывается окутанным одной из этих капель, и восходящие потоки могут унести его глубже в толщу воды. Он вошел в сердце облака.
Многое из того, что ученые узнали о жизни в облаках, пришло с вершины горы во Франции под названием Пюи-де-Дом. Она образовалась около 11 000 лет назад, когда кулак магмы пробил холмы центральной Франции, создав вулкан, который излил лаву, прежде чем заснуть всего несколько сотен лет спустя. Последние двадцать лет или около того метеостанция на вершине Пюи-де-Дом была оборудована пробоотборниками воздуха. Гора настолько высока, что облака регулярно покрывают ее вершину, что позволяет ученым запечатлеть часть жизни, которую они перевозят.
Исследования, проведенные Пьером Амато, аэробиологом из близлежащего Университета Клермон-Овернь, показали, что каждый миллиметр облачной воды, парящей над Пюи-де-Дом, содержит до 100 000 клеток . Анализ их ДНК показал, что некоторые из них принадлежат к известным видам, но многие являются новыми для науки .
Ученые, которые используют ДНК для идентификации видов, постоянно беспокоятся о загрязнении, и Амато не является исключением. Например, ястреб, парящий над Пюи-де-Дом, может пролететь над трубками Амато и стряхнуть микробы со своих перьев. В лаборатории Амато аспирант может выдохнуть микробы в пробирку. За эти годы Амато отверг тысячи потенциальных видов, подозревая, что он или его студенты непреднамеренно размазали микробы кожи по оборудованию. Но они уверенно обнаружили более 28 000 видов бактерий в облаках и более 2 600 видов грибов.
Амато и другие ученые, изучающие облака, подозревают, что они могут быть особенно хорошими местами для выживания бактерий – по крайней мере, для некоторых видов. «Облака – это среда, открытая для всех, но в которой только некоторые могут процветать», – писали Амато и группа его коллег в 2017 году.
В облаке каждый микроб существует в совершенном одиночестве, запертый в своей собственной капле.
Для бактерий облако — это как чужой мир, кардинально отличающийся от среды их обитания на суше или в море. Бактерии обычно собираются вместе. В реках они могут образовывать микробные маты. В наших кишечниках они образуют плотные пленки. Но в облаке каждый микроб существует в совершенном одиночестве, запертый в своей собственной капле . Эта изоляция означает, что облачным бактериям не приходится конкурировать друг с другом за ограниченные ресурсы. Но в капле не так много места для переноса питательных веществ, необходимых микробам для роста.
Однако Амато и его коллеги нашли доказательства того, что некоторые микробы действительно могут расти в облаках. В одном исследовании ученые сравнили образцы, собранные ими из облаков на Пюи-де-Дом, с образцами, собранными на горе в ясные дни. Исследователи искали подсказки об их активности, сравнивая количество ДНК в образцах с количеством РНК. Активные, растущие клетки будут создавать множество копий РНК из своей ДНК, чтобы производить белки.
Исследователи обнаружили, что соотношение РНК к ДНК в облаках в несколько раз выше, чем в чистом воздухе , что является мощным признаком того, что клетки процветают в облаках. Они также обнаружили, что бактерии в облаках включают гены, необходимые для метаболизма пищи и роста.
Чтобы понять, как эти бактерии могут процветать в облаках, исследователи вырастили некоторые из видов, которые они поймали в своей лаборатории, а затем распылили их в атмосферных камерах моделирования . Один вид микробов, известный как Methylobacterium , использует энергию солнечного света для расщепления органического углерода внутри облачных капель.
Другими словами, эти бактерии едят облака. По одной из оценок, облачные микробы расщепляют миллион тонн органического углерода во всем мире каждый год .
Подобные открытия говорят о том, что аэробиом — это сила, с которой нужно считаться, — сила, которая оказывает мощное влияние на химию атмосферы. Аэробиом даже изменяет погоду.
Когда облако формируется, оно создает восходящие потоки, которые поднимают воздух, насыщенный водой, на большие высоты, где достаточно холодно, чтобы превратить воду в лед. Затем лед падает обратно вниз. Если воздух у земли холодный, он может выпасть в виде снега. Если теплый, он превращается в дождь.
Образование льда в холодном облаке может быть на удивление сложным. Даже при температурах намного ниже точки замерзания молекулы воды могут оставаться жидкими. Однако один из способов вызвать образование льда — это дать им семя примеси. Когда молекулы воды прилипают к поверхности частицы, они связываются друг с другом, этот процесс известен как зародышеобразование. Затем другие молекулы воды прикрепляются к ним и собираются в кристаллическую структуру, которая, когда станет достаточно тяжелой, упадет с неба.
Оказывается, биологические молекулы и клеточные стенки исключительно хороши в том, чтобы вызывать дождь. Грибы , водоросли , пыльца , лишайники , бактерии и даже вирусы могут посеять лед в облаках . Возможно даже, что облака и жизнь связаны в тесном цикле, не просто живя и пожирая облака, но и помогая им формироваться в первую очередь.
Одним из лучших создателей дождя является тип бактерий, называемых Pseudomonas . Ученые не уверены, почему именно эти бактерии так хороши в образовании льда в облаках , но это может быть связано с тем, как они растут на листьях . Когда холодный дождь падает на лист, Pseudomonas может помочь жидкой воде превратиться в лед при более высоких температурах, чем обычно. Когда лед трескается, открывая листья, бактерии могут пировать питательными веществами внутри.
Некоторые ученые даже предположили, что растения приветствуют бактерии, подобные Pseudomonas , несмотря на наносимый ими вред. Когда ветер сдувает бактерии с растений и поднимает их в воздух , они поднимаются в облака над головой. Облака, засеянные Pseudomonas , проливают больше дождя на растения внизу. Растения используют воду, чтобы вырастить больше листьев, а листья поддерживают больше бактерий, которые поднимаются в небо и побуждают облака проливать еще больше воды, чтобы питать жизнь внизу. Если это окажется правдой, это будет величественный симбиоз, соединяющий леса с небом.
Исследование жизни в облаках также повышает вероятность того, что воздушные организмы могут существовать на других планетах – даже на тех, которые могут показаться худшими местами для выживания жизни. Например, у Венеры температура поверхности достаточно высокая, чтобы расплавить свинец. Но облака, покрывающие Венеру, намного холоднее и, возможно, способны поддерживать жизнь.
Сара Сигер, астробиолог из Массачусетского технологического института, предположила, что жизнь могла зародиться на поверхности Венеры в самом начале ее истории, когда она была прохладнее и влажнее. По мере того, как планета нагревалась, некоторые микробы могли найти убежище в облаках . Вместо того чтобы опускаться обратно на поверхность, они могли плыть вверх и вниз в атмосфере, перемещаясь по течениям в течение миллионов лет, говорит она.
Размышления об инопланетном аэробиоме Сигера могут сделать наблюдение за облаками еще более приятным. Но когда мы смотрим на облака, как показало исследование Амато, мы также смотрим на наше собственное влияние на мир. Когда Амато и его коллеги исследовали гены в микробах, которых они поймали, они обнаружили замечательное число, которое наделяет бактерии устойчивостью к антибиотикам .
На земле мы, люди, подстегнули широкомасштабную эволюцию этих генов устойчивости. Принимая чрезмерное количество пенициллина и других препаратов для борьбы с инфекциями, мы благоприятствуем мутантам, которые могут им противостоять. Хуже того, фермеры кормят антибиотиками кур, свиней и другой скот, чтобы они росли до больших размеров. Только в 2014 году во всем мире от инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми к антибиотикам, умерло 700 000 человек. Пять лет спустя число жертв возросло до 1,27 миллиона .
Эволюция устойчивости к антибиотикам происходит в организме человека и животных, которых человек ест. Бактерии, наделенные этой устойчивостью, затем покидают свои питомники и проникают в окружающую среду — в почву, в ручьи и, как оказалось, даже в воздух. Исследователи обнаружили высокие уровни генов устойчивости у бактерий, плавающих в больницах и вокруг свиноферм .
Но гены устойчивости, переносимые по воздуху, могут распространяться еще дальше. Международная группа ученых проверила фильтры автомобильных кондиционеров в девятнадцати городах по всему миру. Фильтры зафиксировали богатое разнообразие устойчивых бактерий. Другими словами, похоже, что гены устойчивости распространяются по городам.
В последние годы Амато и его коллеги наметили еще более длительные путешествия. В исследовании облаков 2023 года они сообщили об обнаружении бактерий, несущих 29 различных видов генов устойчивости . Одна бактерия, находящаяся в воздухе, может нести до девяти генов устойчивости, каждый из которых обеспечивает различную защиту от лекарств. По их оценкам, каждый кубический метр облака содержит до 10 000 генов устойчивости . Типичное облако, парящее над головой, может содержать более триллиона таких генов.
Амато и его коллеги предполагают, что облака содержат такое большое количество генов устойчивости, потому что они могут помочь бактериям выжить там. Некоторые гены обеспечивают устойчивость к антибиотикам, позволяя бактериям быстро выкачивать лекарства из своих недр, избавляясь от них до того, как они успеют нанести вред. Стресс жизни в облаке может привести к тому, что бактерии начнут производить токсичные отходы, которые им также необходимо быстро выкачивать.
Облака могут распространять эти гены устойчивости дальше, чем зараженное мясо и вода. Попав в облако, бактерии могут преодолеть сотни миль за несколько дней, прежде чем посеять каплю дождя и упасть обратно на Землю. Когда они достигают земли, микробы могут затем передать свои гены устойчивости другим микробам, с которыми они сталкиваются. По оценкам Амато и его коллег, каждый год из облаков выпадает 2,2 триллиона триллионов генов устойчивости .
Это отрезвляющая мысль, которую нужно держать в уме, идя под дождем. Мы идем сквозь ливни ДНК, которые мы сами создали.
* Последняя книга Карла Циммера « Воздушные перевозки: Скрытая история жизни, которой мы дышим» уже вышла в свет.