Общая геокриология Жизнь в криосфере Область вечной мерзлоты

Общая геокриология Жизнь в криосфере Область вечной мерзлоты в Северном полушарии

Биомасса биосферы Около 99% процентов биомассы приходится на долю растений, на долю консументов и редуцентов — около 1%. На континентах преобладают растения (99, 2%), в океане — животные (93, 7%). Биомасса суши в 1000 раз больше биомассы мирового океана, она составляет почти 99, 9%. Это объясняется большей продолжительностью жизни и массой продуцентов на поверхности Земли.

Биомасса биосферы Биомасса тайги, затем смешанных и широколиственных лесов постепенно увеличивается. Зона степей сменяется субтропической и тропической растительностью, где биомасса максимальна. Растительный покров обеспечивает органическим веществом и всех обитателей почвы — животных (позвоночных и беспозвоночных), грибы и огромное количество бактерий. Бактерии и грибы — редуценты, они играют значительную роль в круговороте веществ биосферы, минерализуя органические вещества. "Великие могильщики природы" — так назвал бактерии Л. Пастер.

Круговорот углерода В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, биогенная миграция. Различают биогенную миграцию первого рода, которая совершается микроорганизмами, второго рода – многоклеточными организмами. Миграция первого рода превышает миграцию второго рода. Человечество осуществляет миграцию третьего рода.

Круговорот углерода Деятельность живых организмов приводит к биогенной миграции химических элементов в биогеоценозах, к их круговороту. Автотрофные организмы постоянно извлекают из косного вещества биосферы биогенные элементы, которые движутся по цепям питания, могут на длительное время выводится из круговорота в форме биогенного вещества, но, в конце концов, редуценты, деструкторы возвращают их в неживую природу. Круговорот химических элементов рассмотрим на примере круговорота важнейших биогенных элементов — углерода и азота.

Круговорот углерода Углерод входит в состав всех органических веществ любых живых организмов. Он извлекается из атмосферы в форме углекислого газа во время фотосинтеза, из углекислого газа и воды образуются углеводы и другие органические молекулы. Часть углерода возвращается в атмосферу при дыхании самих растений (до 50%), другая часть начинает движение по пастбищным и детритным цепям питания. Большая часть потребленного каждым организмом органического вещества окисляется при дыхании и только 5 -25% превращается в собственное органическое вещество. При переходе от одного организма к другому происходит потеря большей части энергии в форме тепла и разрушение органического вещества до углекислого газа и воды.

Климатические изменения Глобальный нагрев атмосферы на 50% связан с СО 2, на 18% — с СН 4, на 14% — с фреонами и на 18% — с другими газами, включая N 2 O. Пары воды и озон также усиливают парниковый эффект.

Воздух в почве • меняется в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, животных и растений. В нем больше паров воды, меньше кислорода (7 -12%) и больше углекислого газа (0, 2 -8%). • Почвенный воздух содержит также газы, которые образуются при гниении остатков животных и растений, — сероводород, аммиак, метан (болотный газ). 8 17. 02. 2018

почвы • В основном это неразложившиеся, полуразложившиеся твердые остатки растений и животных, а также гумус, или перегной. • Гумус находится в поверхностном слое почвы. Он придает ей темную окраску. Микроорганизмы перерабатывают гумус в минеральные соли. Поэтому гумус служит своеобразным запасом минеральных солей в почве. Чем больше гумуса, тем плодороднее почва. Мало гумуса в подзолистых почвах и в пустынных сероземах (1 -3%). Наиболее богаты гумусом черноземные почвы (7 -12%). Основатель отечественного почвоведения В. В. Докучаев считал черноземы главным богатством страны и называл чернозем «царем почв» . 17. 02. 2018 • 9 Вещества, содержащиеся в гумусе, вместе с корнями

Живые организмы • Для многих организмов почва является средой обитания. В ней обитают микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли, простейшие), мелкие беспозвоночные (дождевые черви, личинки жуков, медведка и др. ), а также крупные позвоночные животные (кроты, слепыши и др. ). • В почве находятся и живые подземные части растений — корни, корневища, столоны, луковицы, клубни, а также споры, плоды и семена. • По количеству в почве больше всего микроорганизмов, среди которых преобладают бактерии. В одном грамме почвы может быть сотни 17. 02. 2018 10 миллионов, а иногда и миллиарды

Вечная мерзлота мерзлая порода лед Вечная мерзлота, широко распространенная в России, состоит из мерзлых пород и льда, а ее возраст достигает нескольких миллионов лет

Исследования биогенных газов: содержание метана с глубиной в мерзлых отложениях Якутии

Исследования биогенных газов: соотношение метана и углекислого газа в мерзлых отложениях Якутии

Содержание метана в мерзлых отложениях Якутии по простиранию Methane content, ppmv Forest Slope Alas Distance, m

Содержание метана в древней мерзлоте и после частичного оттаивания на вырубке.

Содержание метана в древней мерзлоте и после частичного оттаивания на вырубке (2).

Содержание метана в мерзлых породах и льдах на Аляске, концентрация в ppmv 4890. 5 1244. 9 778. 8 485. 9 45023. 7 122244. 0

Эмиссия метана в мерзлых породах в эксперименте Days of experiment Samples/Methane content, ppmv Tomakomai Alaska Yakutsk 1 1. 43 0. 90 1. 23 2 1. 18 1. 54 - 23 2. 06 1. 98 - 70 2. 05 2. 12 1. 98 209 2. 07 2. 02 2. 29*) 230 2. 01 2. 02 - *)148 days

Рост содержания метана в эксперименте

• Гуминовые вещества - уникальный природный аккумулятор энергии, созданной зелеными растениями при усвоении Солнечной радиации в процессе фотосинтеза, • Они обладают огромным биологическим потенциалом, что делает их своего рода АТФ биосферы. • Гумусовые вещества почвы являются своеобразным биохимическим медиатором, через который в почвенном профиле происходит контакт живого и косного материала, био и литосферы. • Проблема оценки состава и свойств гуминовых веществ важна не только для почвоведения, но и для целого ряда смежных дисциплин: биологии, климатологии, географии, охраны окружающей среды и т. п.

- гетерогенность и гетерополидисперсность гуминовых веществ; - высокая вариабельность (стохастический характер) структурных параметров и свойств; - диалектическая противоположность ряда свойств и функций.

Во льду есть жизнь: микроорганизмы, найденные во льду Антарктиды Заслуга выдающегося открытия в 70 -х годах живых микроорганизмов, вмороженных в древний Антартический лед, принадлежит российским ученым из Института Микробиологии АН СССР (С. С. Абызов и другие)

Важна техника отбора образцов, обеспечивающая чистоту

Отбор образцов в подземелье Института Мерзлотоведения им. П. И. Мельникова в Якутске

Споры гриба Penicillium из вечной мерзлоты Фото с помощью электронного микроскопа

Микроорганизмы не только не замерзают, но и способны к росту При температуре -5°C споры гриба Penicillium после двух месяцев инкубации прорастают

Микроорганизмы при отрицательной температуре не замерзают: на фото их рост при температуре -5ºC в питательной среде: слева – переохлажденной; справа – в замороженном состоянии

Ледяная жила в подземном тоннеле Фокс Обнажение ледяной жилы Искусственный холодильник при -4 o C 0. 5 m 5 m … ледяная жила прослойки Воздушные включения Форма и строение льда показывают, что жилы никогда не оттаивали, т. е. • отложения были постоянно мерзлыми • микроорганизмы были изолированы

Филогенетический анализ изолятов • 103 to 106 CFU / ml of оттаявшего льда • 301 штаммов было получено • 70 штаммов было охарактеризовано 16 S r. DNA секвенированием oli eri h sc E c hia c Gammaproteo bacteria ( 4 representatives ) Bacilli ( 5 representatives ) Actinobacteria ( 61 representatives ) 0. 1

Новые виды? • less than 97% similarity with those in database (partial 16 S r. DNA sequences) No. Closest species (Accession no. ) Similarity ki 2 -o 11 ki 2 -j 34 ki 2 -m 9 Arthrobacter ramosus (AM 039435) Arthrobacter woluwensis (X 93353) Agrococcus jenensis (AJ 717350) 96. 5% 96. 8% 95. 5% ki 2 -j 21 ki 2 -j 22 ki 2 -h 51 Agreia sp. 37 -4 (AF 513393) Frigoribacterium sp. GWS-SE-H 243 (AY 332185) Salinibacterium sp. 7320 (AM 111058) 96. 7% 96. 9% 95. 4% ki 2 -j 18 Frigoribacterium aff. faeni A-1/C-an/E (AJ 297441) 96. 5% ki 2 -m 15 ki 2 -h 47 ki 2 -m 17 ki 2 -g 6 ki 2 -l 37 ki 2 -l 20 Curtobacterium sp. B 20 (AF 128869) Brevibacterium sp. SK 8 E 11 (DQ 153944) Rhodococcus fascians (AJ 011329) Rhodococcus sp. P 27 -27 (DQ 060384) Luteococcus peritonei (AJ 132334) Nocardioides jensenii (AF 005006) 94. 6% 96. 2% 95. 7% 95. 5% 94. 8% 96. 4% ki 2 -j 4 ki 2 -l 2 Aeromicrobium sp. Gsoil 098 (AB 245394) Aeromicrobium panaciterrae (AB 245387) 95. 9% 96. 7%

Температурная чувствительность изолятов Strain no. Citricoccus sp. ki 2 -o 5 Arthrobacter sp. ki 2 -l 25 Arthrobacter sp. ki 2 -o 18 Arthrobacter sp. ki 2 -l 1 Arthrobacter sp. ki 2 -a 9 Arthrobacter sp. ki 2 -h 42 Arthrobacter sp. ki 2 -b 47 Arthrobacter sp. ki 2 -c 12 Arthrobacter sp. ki 2 -l 3 Brachybacterium sp. ki 2 -m 19 Brachybacterium sp. ki 2 -l 13 Brachybacterium ki 2 -o 16 Microbacterium sp. ki 2 -c 53 Microbacterium sp. ki 2 -m 48 Microbacterium sp. ki 2 -g 13 Agrococcus ki 2 -b 50 Cryobacterium ki 2 -o 13 Frigoribacterium sp. ki 2 -h 30 Frigoribacterium sp. ki 2 -o 9 Salinibacterium sp. ki 2 -l 35 Agreia sp. ki 2 -o 4 Agreia sp. ki 2 -b 52 Curtobacterium sp. ki 2 -m 15 Janibacter sp. ki 2 -m 21 Brevibacterium sp. ki 2 -l 21 Dietzia sp. ki 2 -g 3 Rhodococcus sp. ki 2 -m 3 Planococcus sp. ki 2 -h 28 Planococcus sp. ki 2 -b 17 -5 4 15 20 27 37 (o. C) Psychrotolerant Psychrophile Рост определялся по диаметру колонии на среде LB agar от 5 дней до 3 месяцев

Время удвоения Arthrobacter spp 25 5 dry cell weight (g / l) • Arthrobacter sp. ki 2 -o 18 1 15 (o C) 20 -5 1 2. 6 2. 8 0. 1 0. 01 . 9. 5 0. 1 39. 4~49. 6 0. 01 3. 5 0. 001 0. 0001 0 10 20 30 40 time (h) 0 5 10 15 20 time (d) dry cell weight (g / l) • Arthrobacter sp. ki 2 -l 25 1 3. 0 2. 9 0. 1 1 36. 7~41. 9 0. 01 3. 6 0. 001 0. 0001 9. 7 0. 1 0 10 20 30 0. 001 40 0. 0001 time (h) 0 5 10 15 20 time (d) shaking incubation at 150 rpm-1 in LB medium

Изоляты грибов и их чувствительность Strain Closest species (Accession no. ) (Similarity) I 2 Fp 75 Phaeococcomyces nigricans (AJ 276065) (99. 0%) I 2 F 7 Leucosporidium antarcticum (AF 44529) (100%) I 2 F 2 I 2 F 3 I 2 F 10 Geomyces sp. FFI 30 (AJ 608960) (99. 3%) Geomyces sp. FFI 30 (AJ 608960) (99. 2%) Geomyces sp. FFI 30 (AJ 608960) (99. 8%) 1 cm -5 o C 20 o C 27 o C (3 months) (7 days)

В поисках древнейших мерзлых отложений На фото обнажение Мамонтова гора в Якутии; возраст мерзлых пород около 2 миллионов лет

Бактерия из древней мерзлоты Выделенный штамм Bacillus; слева - окрашивание по Граму, справа – рост при температуре -5 градусов в течение 5 месяцев

Способны ли они выживать в космосе? Предполагаемые остатки микроорганизмов из метеоритов Met. A. Iperstenic chondrite, fallen on Feb. 3, 1882 at Mocs, Transilvania and Met. C. Enstatitic olivinic chondrite, fallen in 1919 at Bur Hacaba, Somalia (kindly provided by Real Museo Mineralogico, Naples; from Giuseppe Geraci et al. , Rendiconti Accademia Nazionale dei Lincei, s. 9 (Mat. ) vol. 12, 51 -64, 2001).

Нуклеотиды ДНК (A, U, G, C) имеют ограниченное время жизни (Levy & Miller, 1998) Наиболее нестабильным оказывается цитозин со временем полураспада при температурах 0 - -10 градусов Цельсия около 300 лет.

Выживает сильнейший? Вечная мерзлота – арена беспрецедентного естественного отбора. Биллионы клеток в ней не способны к передвижению, лишены пищи и пространства для размножения. После тысячелений существования в ее толщах могли выжить только клетки, обладающие механизмом поддержания их жизнеспособности в течение гигантских периодов времени.

Вопросы, на которые следует ответить: 1. Действительно ли найденные микроорганизмы древние клетки: а) исключена миграция; б) не происходило оттаивания мерзлоты и загрязнения; в) клетки в мерзлоте находятся в неактивном состоянии и не растут 2. Почему бактерии из мерзлоты принадлежат к различным систематическим группам 3. Содержат ли культуры клеток из мерзлоты белки, ответственные за сохранение микроорганизмов в течение длительного времени 4. Могут ли эти специфические белки быть выделены и использованы для продления жизни других, небактериальных клеток – в частности, человеческих