Триллионы микроскопических организмов - бактерии,
вирусы, грибки и одноклеточные - перемещаются по планете, поднимаясь на километры в атмосферу. Исследования показывают: эти невидимые странники оказывают существенное влияние не только на формирование погодных условий, но и на состояние человеческого здоровья.
Облака, которые кажутся обыденной частью неба - от лёгких перистых полос до тяжёлых грозовых масс - на самом деле скрывают неожиданную правду. За своей внешней простотой они прячут удивительный биосферный феномен. Учёные всё чаще рассматривают облака не как просто скопление капель воды, а как своеобразные воздушные экосистемы - «плавучие острова», населённые множеством живых организмов.
Эти воздушные микросообщества включают в себя тысячи различных видов, которые могут выживать, передвигаться и даже взаимодействовать друг с другом в экстремальных условиях верхних слоёв
атмосферы. Многие из них способны влиять на конденсацию влаги, участвуя в формировании осадков, а некоторые - переносить патогены или аллергены на большие расстояния.
Аэробиом
Наряду с птицами, стрекозами и семенами одуванчиков в воздухе путешествует огромный океан микроскопических организмов. Французский химик Луи Пастер был одним из первых, кто в 1860 году распознал то, что учёные сейчас называют аэробиомом. Он держал стерильные колбы с бульоном и позволял плавающим микробам оседать в нём, в результате чего прозрачный бульон становился мутным.
Пастер ловил микробов на улицах Парижа, во французской сельской местности и даже на вершине ледника в Альпах. Но его современники отвергли эту идею. «Мир, в который вы хотите нас перенести, действительно слишком фантастичен», - сказал тогда Пастеру один журналист.
Потребовались десятилетия, чтобы люди признали реальность аэробиома. В 1930-х годах несколько учёных поднялись в небо на самолётах, держа в руках предметные стёкла и чашки Петри, чтобы ловить на ветру споры грибков и бактерии. Экспедиции на воздушных шарах в стратосферу также собирали клетки.
Сегодня исследователи XXI века в области аэробиологии устанавливают на беспилотники сложные пробоотборники и используют технологию секвенирования ДНК для идентификации жизни в воздухе по её генам. Аэробиом, как теперь признают исследователи, - это огромная среда обитания, заполненная гостями. Эти гости приходят с большей части поверхности планеты.
Передвижение микроорганизмов
Каждый раз, когда океанская волна разбивается, она выбрасывает в воздух мелкие капли морской воды, некоторые из которых несут в себе вирусы, бактерии, водоросли и другие одноклеточные организмы. Некоторые капли быстро падают обратно в океан, другие подхватываются ветром и поднимаются в небо, где разносятся на тысячи километров.
Фото: bbc.com
На суше ветры могут размывать землю, разнося бактерии, грибки и другие организмы. Каждое утро, когда восходит солнце и вода испаряется в воздух, она также может притягивать микроскопические организмы. Лесные пожары создают сильные восходящие потоки, которые могут высасывать микробы из земли и срывать их со стволов и листьев деревьев, унося их вверх вместе с поднимающимся дымом.
Многие виды не просто ждут, пока физические силы поднимут их в воздух. Например, у мхов вырастает стебель с мешочком спор на кончике, который они выпускают в воздух, как струйки дыма. За одно лето на один квадратный метр болота может выпасть до шести миллионов спор мха. Многие виды растений-опылителей размножаются, выпуская каждую весну миллиарды пыльцевых зерен в воздух. Грибки особенно искусны в полёте.
Грибки создали «биологические пушки» и другие средства для запуска своих спор в воздух, а их споры снабжены прочной оболочкой и другими приспособлениями, чтобы выдерживать суровые условия, с которыми они сталкиваются, поднимаясь в стратосферу.
Грибки были обнаружены на высоте до 20 километров, высоко над Тихим океаном, куда их заносит ветер. По одним оценкам, ежегодно с суши и моря в небо поднимается около триллиона триллионов бактериальных клеток. По другим оценкам, за это же время в воздух поднимается 50 миллионов тонн грибковых спор.
В воздух также поднимается несметное количество вирусов, лишайников, водорослей и других микроскопических форм жизни. Обычно они путешествуют несколько дней, прежде чем приземлиться, и за это время могут пролететь сотни и тысячи километров.
Во время этого путешествия организм может попасть в ту область воздуха, где водяной пар конденсируется в капли. Вскоре он оказывается в одной из этих капель, и восходящие потоки могут унести его вглубь водной массы. Он попал в
сердце облака.
Жизнь в облаках
Многое из того, что учёные узнали о жизни в облаках, было получено с вершины горы во Франции под названием Пюи-де-Дом. Она образовалась около 11 тысяч лет назад, когда поток магмы хлынул на холмы центральной Франции, создав вулкан, который изверг лаву, а через несколько сотен лет затих.
В течение последних двадцати лет метеостанция на вершине Пюи-де-Дом была оборудована пробоотборниками воздуха. Гора настолько высока, что облака регулярно закрывают её вершину, позволяя учёным запечатлеть часть жизни, которую они переносят.
Исследования, проведенные под руководством Пьера Амато, аэробиолога из расположенного неподалёку Университета Клермон-Овернь, показали, что каждый миллиметр облачной воды, проплывающей над Пюи-де-Дом, содержит до 100 тысяч клеток. Их ДНК показала, что некоторые из них принадлежат к знакомым видам, но многие являются новыми для науки.
Фото: bbc.com
Учёные, использующие ДНК для идентификации видов, постоянно опасаются заражения, и Амато - не исключение. Например, ястреб, парящий над Пюи-де-Домом, может пролететь над пробирками Амато и стряхнуть микробы со своих перьев. В лаборатории Амато аспирант может выдохнуть микробы в пробирку.
За годы работы Амато отбраковал тысячи потенциальных видов, подозревая, что он или его студенты случайно нанесли микробы с кожи на оборудование. Но они точно обнаружили в облаках более 28 тысяч видов бактерий и более 2,6 тысяч видов грибков.
Амато и другие учёные, изучающие облака, подозревают, что они могут быть особенно благоприятным местом для выживания бактерий - по крайней мере, для некоторых видов. «Облака - это среда, открытая для всех, но в которой могут процветать только некоторые», - написали Амато и его коллеги в 2017 году.
Для бактерий облако - это как чужой мир, резко отличающийся от среды обитания, где они обычно живут на суше или в море. Бактерии обычно собираются вместе. В реках они могут превращаться в микробные скопления. В кишечнике человека они образуют плотную плёнку.
Но в облаке каждый микроб существует в полном одиночестве, запертый в своей собственной капельке. Такая изоляция означает, что облачным бактериям не нужно конкурировать друг с другом за ограниченные ресурсы. Но в капле не так много места для переноса питательных веществ, необходимых микробам для роста.
Исследование облаков
Тем не менее, Амато и его коллеги нашли доказательства того, что некоторые микробы действительно могут расти в облаках. В одном из исследований учёные сравнили образцы, собранные ими из облаков на Пюи-де-Дом, с другими, собранными на горе в ясные дни. Исследователи искали подсказки об их активности, сравнивая количество ДНК в образцах с количеством РНК. Активные, растущие клетки создают множество копий РНК из своей ДНК, чтобы производить белки.
Исследователи обнаружили, что соотношение РНК и ДНК в облаках в несколько раз выше, чем в чистом воздухе, что является убедительным доказательством 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 отловили в своей лаборатории, а затем распылили их в камерах для моделирования атмосферы. Один из видов микробов, известный как Methylobacterium, использует энергию солнечного света для расщепления органического углерода внутри облачных капель. Другими словами, эти бактерии питаются облаками.
По одной из оценок, облачные микробы ежегодно расщепляют миллион тонн органического углерода по всему миру, подобные выводы говорят о том, что аэробиом - это сила, оказывающая мощное влияние на химический состав атмосферы и даже на изменение погоды, и с которой нужно считаться.
Когда образуется облако, оно создаёт восходящие потоки, которые поднимают насыщенный водой воздух на большую высоту, где достаточно холодно, чтобы вода превратилась в лёд. Затем лёд попадает обратно вниз. Если воздух у земли холодный, он может выпасть в виде снега. Если воздух теплый, он превращается в дождь.
В холодном облаке лёд образуется с удивительным трудом. Даже при температуре намного ниже точки замерзания молекулы воды могут оставаться жидкими. Однако один из способов спровоцировать образование льда - внести в него примесь.
Когда молекулы воды прилипают к поверхности частицы, они соединяются друг с другом - этот процесс называется нуклеацией. Затем другие молекулы воды прикрепляются к ним и собираются в кристаллическую структуру, которая, став достаточно тяжелой, падает с неба.
Вызывание дождя
Оказывается, биологические молекулы и клеточные стенки исключительно хорошо подходят для вызывания дождя. Грибки, водоросли, пыльца, лишайники, бактерии и даже вирусы могут создавать лёд в облаках. Возможно даже, что облака и жизнь связаны между собой тесным круговоротом, и не только живут и питаются облаками, но и помогают им образовываться.
Фото: bbc.com
Одним из лучших создателей дождя является вид бактерий под названием Pseudomonas. Учёные точно не знают, 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 попадает на листья, Pseudomonas может помочь жидкой воде превратиться в лёд при более высокой температуре, чем обычно. Когда лёд разрушает листья, бактерии могут полакомиться питательными веществами, находящимися внутри.
Некоторые исследователи даже предположили, что растения приветствуют такие бактерии, как Pseudomonas, несмотря на наносимый ими вред. Когда ветер сдувает бактерии с растений и поднимает их в воздух, они поднимаются в облака над головой. Облака, в которых посеяны Pseudomonas, проливаются дождём на растения внизу.
Растения используют воду, чтобы вырастить больше листьев, а листья поддерживают больше бактерий, которые поднимаются в небо и подстёгивают облака проливать ещё больше воды, чтобы питать жизнь внизу. Если это окажется правдой, то это будет величественный симбиоз, соединяющий леса с небом.
Облака в космосе
Исследование жизни в облаках также позволяет предположить, что организмы, обитающие в воздухе, могут существовать и на других планетах - даже на тех, которые могут показаться худшим местом для выживания жизни. Например, температура поверхности
Венеры достаточно высока, чтобы расплавить свинец. Но облака, покрывающие Венеру, гораздо холоднее и, возможно, способны поддерживать жизнь.
Сара Сигер, астробиолог из Массачусетского технологического института, предположила, что жизнь могла зародиться на поверхности Венеры в самом начале её истории, когда там было прохладнее и влажнее. Когда планета нагрелась, некоторые микробы могли найти убежище в облаках. По её словам, вместо того чтобы опускаться на поверхность, они могли миллионы лет перемещаться в атмосфере, управляя течениями.
Размышления об инопланетном аэробиоме Сигер могут сделать наблюдение за облаками ещё более приятным. Но, как показало исследование Амато, облака отражают на влияние человека на мир. Когда Амато и его коллеги изучают гены микробов, которые они отлавливают, они обнаруживают поразительное количество генов, которые наделяют бактерии устойчивостью к антибиотикам.
Устойчивость к лекарствам
На земле люди повлияли на повсеместную
эволюцию генов устойчивости. Принимая чрезмерное количество пенициллина и других лекарств для борьбы с инфекциями, человек способствует появлению мутантов, которые могут противостоять им. Что ещё хуже, фермеры кормят антибиотиками кур, свиней и другой домашний скот, чтобы заставить их вырасти до больших размеров.
Только в 2014 году 700 тысяч человек по всему миру умерли от инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми к антибиотикам, пять лет спустя эта цифра возросла до 1,27 миллиона.
Эволюция устойчивости к антибиотикам происходит в организме человека и животных, которых он употребляет в пищу. Затем бактерии, наделённые этой устойчивостью, покидают свои питомники и попадают в окружающую среду - в почву, в ручьи и, как выяснилось, даже в воздух. Исследователи обнаружили высокий уровень генов устойчивости в бактериях, плавающих вокруг больниц и свиноферм.
Но гены резистентности, передающиеся по воздуху, могут распространяться ещё дальше. Международная группа учёных проверила фильтры автомобильных кондиционеров в девятнадцати городах мира. На фильтрах было обнаружено богатое разнообразие устойчивых бактерий. Другими словами, оказывается, что гены устойчивости летают по городам.
В последние годы Амато и его коллеги запечатлели ещё более дальние путешествия. В исследовании облаков, проведенном в 2023 году, они сообщили, что обнаружили бактерии, несущие 29 различных видов генов устойчивости. Одна бактерия в воздухе может нести целых девять генов устойчивости, каждый из которых по-своему защищает от лекарств. В каждом кубическом метре облака, по их оценкам, содержится до 10 тысяч генов устойчивости. В типичном облаке, плывущем над головой, их может быть более триллиона.
Фото: bbc.com
Амато и его коллеги предполагают, что облака содержат такое большое количество генов устойчивости, потому что они помогают бактериям выжить в них. Некоторые гены обеспечивают устойчивость к антибиотикам, позволяя бактериям быстро выкачивать лекарства из своих внутренностей, избавляясь от них прежде, чем они успеют причинить вред. Стресс, вызванный жизнью в облаке, может заставить бактерии производить токсичные отходы, которые им также необходимо быстро выкачивать.
Облака могут распространять эти гены устойчивости гораздо дальше, чем заражённое мясо и вода. Попав в облако, бактерии могут преодолеть сотни километров за несколько дней, прежде чем попасть в капли дождя и упасть обратно на Землю. Попадая на землю, микробы могут 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 голове во время прогулки под дождем. Люди стоят под ливнями ДНК собственного производства.