Интродукция неместных микроорганизмов: какую опасность они представляют для экосистем Антарктики?

Микроорганизмы, в том числе бактерии, археи, водоросли, грибки, вирусы и микроэукариоты, обычно составляют большую часть биомассы и биоразнообразия наземных и пресноводных экосистем Антарктики, в особенности климатически жёстких сред обитания, в которых высшие организмы не могут выжить¹. Градиенты почвы и химия, разные геологические субстраты, ветровой режим и выпадение осадков образуют сложное взаимодействие, формируя мозаику особых сообществ по всему континенту². Относительная простота наземных экосистем Антарктики делает их особо ценными с научной точки зрения для понимания более сложных систем, существующих в других регионах земного шара.  Методы молекулярной биологии показали наличие многочисленных эндемичных видов в Антарктике (см., например: 3), которые являются потенциальным источником новых генов, генетических продуктов и соединений⁴. Здесь мы рассматриваем как актуальность, так и практические вопросы касательно важности будущего предотвращения интродукции микроорганизм или перераспределения микроорганизмов в окружающей среде Антарктики.

Внедряющиеся виды микроорганизмов: степень изученности

Чужеродные микроорганизмы, а также споры и другие пропагулы, прикреплённые к частицам пыли и аэрозолей, постоянно высеваются в континентальных (и морских) системах Антарктики^5,6.  Перемещение видов животных, в том числе людей, в Антарктику и субантарктическую зону может облегчить перенос микроорганизмов из более низких широт⁷. Анализ фотоавтотрофной биогеографии Антарктики выявил, что, в то время как изменения климата разрушали физические барьеры распространения видов растений в Антарктике, временные, микроклиматические и эволюционные движущие силы остались существенными факторами ограничения инвазивной колонизации фотоавтотрофными бактериями и водорослями⁸. В условиях отсутствия человеческой деятельности эти механизмы предположительно проявляли активность на протяжении всей продолжительности существования континента в его полярном положении, изменяясь в зависимости от перемен в макроклиматических условиях.

На протяжении последнего столетия всё возрастающее присутствие человека на континенте и в окружающих его океанах в неподдающейся количественному исчислению степени приумножило перенос чужеродных микроорганизмов в Антарктический регион.  Выбросы неочищенных канализационных вод с сопутствующими чужеродными микроорганизмами являются источником интродукции видов в морскую среду на территориях, прилегающих к некоторым антарктическим научно-исследовательским станциям, в то время как отходы жизнедеятельности человека по-прежнему присутствуют в некоторых прибрежных и внутриматериковых районах^9,10,11. Кроме того, молекулярные биологические исследования переноса микроорганизмов по воздуху выявили потенциальное распространение ряда антропогенных микроорганизмов с отдельной антарктической научно-исследовательской станции¹², а в результате научно-исследовательской деятельности происходит неизбежное распространение микроорганизмов, переносимых человеком, в отдалённые районы, исключительно из-за присутствия в них людей¹³.

Пока ещё нет достоверных количественных данных касательно доли «естественного» или антропогенного поступления микроорганизмов на антарктический континент или на прилегающие к нему территории. Первоначальная попытка провести количественную оценку воздействия отдельных видов человеческой деятельности¹³ была недостаточно продуманной, однако дала основания предполагать, что человеческая деятельность на отдельных участках с высоким уровнем воздействия (например, на территории полевых лагерей в свободных ото льда районах) может привнести чужеродный клеточный материал в пределах того же порядка, что и неизменная биомасса местных микроорганизмов.  Последствия такого загрязнения недостаточно понятны, однако они могут привести к появлению длительных молекулярных сигналов, связанных с чужеродными микроорганизмами.

Антропогенные механизмы переноса; внутри- и межконтинентальные

Почва может служить источником разнообразных микроорганизмов, а интродукция и перемещение почв между свободными ото льда районами может привести к переносу микроорганизмов.  Согласно Протоколу по охране окружающей среды к Договору об Антарктике (Приложение II – Сохранение антарктической фауны и флоры), необходимо в максимально возможной степени избегать интродукции нестерильной почвы и предпринимать меры по предотвращению интродукции неместных микроорганизмов.  Тем не менее, возможна случайная интродукция неантарктической почвы, принесённой вместе с ввозимыми для потребления людьми корнеплодами, а также с грузами или оборудованием^14,15.  Ранее интродукция неантарктической почвы для трансплантационных экспериментов и в садоводческих целях привела к появлению на некоторых участках неместных видов растений и беспозвоночных, при этом существует вероятность одновременной интродукции неместных микроорганизмов¹⁶.

Были определены уникальные биогеографические регионы Антарктики для макроскопических видов, при этом существуют доказательства аналогичных или ещё больших географических различий в биоразнообразии микроорганизмов¹⁷.  Количественная оценка уровней обмена микроорганизмами между отдельными районами не проводилась, однако районы с обширными сплошными участками свободной ото льда почвы, такие как Сухие долины Мак-Мёрдо, могут подвергаться особой опасности¹¹. Непрекращающееся расширение следов человеческой деятельности в Антарктике приводит к тому, что количество районов, которые ранее считались первозданной средой обитания и в которых могут в полной мере использоваться более тщательно разработанные передовые методы научных исследований, продолжит сокращаться⁴.

В то время как распространение микроорганизмов в значительной степени связано со случайными событиями местного масштаба (штормами), существует необходимость в проведении более обширного анализа ветра с обратной траекторией в сочетании с массивным упорядочиванием аэрозольных бактериальных сообществ в более широких диапазонах высот для усовершенствования нашего понимания качественных и количественных характеристик внутри- и межконтинентальных механизмов переноса⁶.

Факторы риска

Недостаток исследований затрудняет прогнозирование воздействия или количественную оценку факторов риска интродукции неместных микроорганизмов.  Тем не менее, существует три основных проблемных аспекта:

1) Интродукция новых и агрессивных видов может привести к изменениям в структуре сообщества микроорганизмов и значительной утрате биоразнообразия (несмотря на то, что большинство интродуцированных видов из более низких широт скорее всего не смогут эффективно функционировать в сложившихся климатических условиях Антарктики).

2) Нарушение переплетения микроорганизмов может привести к необратимым изменениям в биогеохимических путях распространения с возникновением последствий для круговорота питательных веществ и функций экосистем¹⁸.

3) Интродукция антибиотикоустойчивых генов может иметь непредвиденные последствия, а интродуцированные патогенные микроорганизмы могут стать причиной заболеваний среди диких животных, однако о доле поступления вызывающих заболевания микроорганизмов по естественным каналам, например, с залётными птицами, известно немного⁷.

На сегодняшний день имеется очень мало информации об интродукции микроорганизмов в поверхностные пресноводные водоёмы или в морскую среду, однако методам предотвращения интродукции микроорганизмов в подледниковые водоёмы было уделено значительное внимание, например, в Кодексе поведения при проведении исследований подледниковой водной среды, разработанном СКАР¹⁹.

Существует несколько очевидных возможных мер по снижению уровня воздействия, однако их реализация представляет определённую сложность.  Уровень воздействия человеческой деятельности можно было бы существенно снизить путём реализации жёстких мер по обеспечению биологической безопасности (например, обязательное ношение туристами и наземными антарктическими исследователями защитной одежды), как это рекомендуется в некоторых особых районах и при определённых обстоятельствах в Кодексе поведения при осуществлении деятельности на наземных участках геотермальной активности в Антарктике, разработанном СКАР (XXXIX КСДА, Рабочий документ WP23). За исключением очень специфических участков эта рекомендация выглядит весьма малоприемлемой и практически невыполнимой. Однако основной причиной проявления осторожности в настоящее время является отсутствие данных по относительному поступлению чужеродных микроорганизмов из «естественных» процессов и в результате антропогенной деятельности, будь то в качественном (какие организмы?) или количественном (сколько их?) выражении. Если число первых на порядок больше, чем последних, то меры по снижению уровня антропогенного воздействия могу быть неадекватными.

Как и в других областях, срочно необходимы данные по (i) точным механизмам поступления чужеродных микроорганизмов в экосистемы Антарктики (ii) показателям этих поступлений.  Только с помощью этих данных будет проведена строгая оценка важности этого вопроса. Недавно сформированная группа СКАР «Аэробиология в Антарктике», должна разработать общеконтинентальную динамическую аэробиологическую карту, которая, в случае оказания поддержки путём проведения количественной оценки биомассы, позволит вычислить реалистичные показатели поступлений микроорганизмов в окружающую среду Антарктики по воздуху²⁰.