От носорогов к антибиотикам: прошлое, настоящее и будущее Байкала

Климатические катастрофы, массовые вымирания видов, появление и эволюционирование новых. Тропики, ледяная пустыня, снова тропики — и так по кругу. За миллионы лет группа мелких теплых озер превратилась в одно — самое глубокое на нашей планете озеро Байкал. Но сегодня это не только уникальный памятник природного наследия с многовековой историей. Это также площадка для научных исследований под открытым небом — и познакомиться с ней можно, отправившись в научное путешествие по программе «Научно-популярный туризм». На Байкале ученые изучают экологию, биологию, решают загадки эволюции, ищут новые антибиотики и даже изобретают «лекарства» от старения. Подробнее об озере и его секретах рассказал директор Института биологии Иркутского государственного университета, доктор биологических наук Максим Тимофеев.

 — Максим Анатольевич, Байкал неоднократно менялся на протяжении 30 миллионов лет. Расскажите, в чем заключается его уникальность сегодня?

 — Когда мы говорим про уникальность Байкала, мы имеем в виду какие-то явления, которые существуют либо исключительно в этой экосистеме, либо встречаются крайне редко.

Например, многие знают, что это Байкал — это самое глубокое озеро на планете. Однако мало кто в действительности представляет масштабы этого гигантского водоема: его протяженность составляет около 640 километров — это как расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга! Причем размеры озера непрерывно увеличиваются — примерно на сантиметр в год. Это очень большая скорость по геологическим меркам. И, если верить некоторым гипотезам, через миллионы лет Байкал станет фьордом Северного Ледовитого океана, а после — и сам превратится в океан.

Но, наверно, самая популярная и интересная черта экосистемы Байкала — то, что этот древний водоем оказался колыбелью для множества эндемиков — уникальных видов, которые обитают исключительно лишь в Байкале и более нигде в мире не встречаются.

 — А сколько, по Вашим данным, их можно насчитать здесь?

 — Сейчас описано более двух с половиной тысяч различных видов животных, которые живут в Байкале. Из них не менее двух третей — эндемики. Но недавние открытия ученых, в том числе и исследования нашего института, говорят, что их на самом деле значительно больше.

Можно предполагать, что реальное число видов как минимум в два или три раза больше, чем уже описанных! К тому же важно понимать, что для байкальской экосистемы характерны криптические виды — так называемые скрытые виды или виды двойники. Внешне они ничем не отличаются друг от друга, но на деле они не могут скрещиваться, производить жизнеспособное потомство. Более того — они часто конкурируют между собой, нападают друг на друга. То есть это совершенно разные виды.

Например, совсем недавно ученые нашего института, в ходе выполнения проекта Российского научного фонда, обнаружили сразу четыре ранее неизвестных криптических вида байкальских рачков-амфипод. Они похожи на больших зелёных креветок, которые живут на самом берегу озера. Мы изучили их генетические характеристики и поняли, что это лишь очень дальние родственники — они разошлись эволюционно примерно 5 миллионов лет назад! При этом и я сам, и мои многочисленные коллеги буквально пару лет назад считали их одним видом.

 — Что еще может «рассказать» Байкал об эволюции своих обитателей и, возможно, даже истории всей нашей планеты?

 — Очень многое — дело в том, что у Байкала есть свое подобие годовых колец. И их можно отыскать на его дне — каждый год там образуется примерно 1-1,5 сантиметра илового осадка. И за всю его историю — то есть за 30 млн лет — его там накопилось уже около 8 километров!

А ведь ил, когда погружается на дно, захватывает капельки воды, остатки органических соединений, которые можно проанализировать и понять важные характеристики экосистемы Байкала в тот или иной исторический период. Но самое главное, в таких накоплениях захоронены остатки микроскопических водорослей. В первую очередь это диатомовые водоросли — важнейшая группа фитопланктона озера как в прошлом, так и сегодня. Их особенность в том, что у них есть кремнеземный скелет, который сохраняется миллионы лет. И они, опускаясь на дно озера, по сути, слой за слоем, год за годом, записывают историю озера — сколько и каких видов жило в Байкале миллионы лет назад, какая у них была численность, как и когда проходили периоды массовых вымираний или, наоборот, восстановления продуктивности экосистемы. Поэтому Байкал помнит практически все.

 — Но эти «кольца» прячутся на глубине более 1600 метров, как удается их изучать?

 — В 1980−1990-е годы на озере проводили международный проект «Байкал-бурение». Исследователи подняли со дна сотни осадковых трубок и по их химическому составу и видовому разнообразию останков водорослей в нем, слой за слоем до сих пор изучают, что происходило на Байкале миллионы лет назад.

Благодаря этому мы знаем, что Байкал неоднократно проходил периоды драматических климатических изменений, сопровождающихся массовым развитием важнейших видов в его экосистеме или напротив массовой их гибелью. Случалось даже, что в озере практически никого не оставалось. Причем эти временные отрезки очень четко накладываются на периоды древних похолоданий. Было в истории и обратное — когда Байкал был большим тропическим озером.

 — И как же выглядел тропический Байкал?

 — Скорее всего, тогда Байкал во многом был больше похож на африканское озеро Танганьика — еще один древний водоем схожего тектонического происхождения. Вокруг озера, вероятно, была саванна, где-то по берегу бродили тигры и носороги. А например, на острове Ольхон, который расположен в центре Байкала, водились попугаи. Это все известно из недавних открытий палеонтологов, которые обнаружили останки этих древних животных на берегах озера.

Многие люди этого не осознают, но на планете Земля количество вымерших организмов в несколько сот раз больше, чем количество видов, живущих сейчас. И в разные эпохи планету населяли совершенно разные организмы и сообщества. Про динозавров и их вымирание знают все, но список тех, кого постигла похожая участь, намного длиннее. И Байкал не исключение — здесь многократно проходили циклы климатических изменений и, вслед за ними, менялась флора и фауна. Одни виды вымирали, другие появлялись вновь. И эти циклы никогда не заканчивались.

 — Остались ли здесь какие-то виды из прошлых эпох?

 — Да, древних, то есть реликтовых видов в Байкале довольно большое количество, но это далеко не главные его обитатели. Сегодня здесь живут относительно молодые виды, которые не старше пары миллионов лет. И они сформировались уже именно в том Байкале, который мы знаем. То есть в очень холодном и ультрапресном водоеме, где существует огромное количество стрессовых условий для организмов. Условия Байкала настолько агрессивные для его обитателей, что многие «пришельцы» из других экосистем просто не смогут здесь выжить.

 — Но почему, несмотря на все эти стрессовые факторы, Байкал остается «точкой кипения» эволюции?

 — На самом деле, эволюция в озере идет скорее не «несмотря» на эти стрессовые условия, а «благодаря» им. И виды, которые появились, эволюционировали и адаптировались к местным условиям, чувствуют себя здесь довольно комфортно. Кроме того, некоторые особенности Байкала дополнительно стимулируют жизненные циклы и развитие экосистемы.

Так, известно, что Байкал замерзает на зиму, как и многие другие водоемы в зонах с чередованием времен года. Но на других озерах лед обычно засыпает снегом, из-за чего под его толщу почти не проникает солнечный свет. Без него погибает фитопланктон, на продукции которого завязан жизненный цикл местных обитателей. В таком водоеме начинается затяжная зимняя депрессия — организмы впадают в зимнюю спячку или массово погибают. И только с приходом весны приходится заново налаживать все биосистемные процессы.

Но на Байкале ситуация иная — здесь лед здесь прозрачный как стекло. Кроме того, в районе озера очень много ветров, которые практически не дают накопиться снегу на поверхности водоема. Поэтому обитатели озера могут жить, питаться и размножаться круглый год. Причем зимой байкальский фитопланктон развивается иногда даже активнее, чем летом.

Но есть и неожиданные последствия у этого зимнего цветения. Подо льдом Байкала, особенно на мелководье, вода часто застаивается, и активно фотосинтезирующие здесь растения просто перенасыщают подледную ее кислородом — возникает состояние гипероксии. И процент содержания кислорода в подледном слое Байкала может доходить до 140% и даже 180% — тогда вода становится похожей на газировку.

 — Этот «кислородный коктейль» опасен?

 — Нужно понимать, что кислород — это сильнейший окислитель, «огонь», который горит внутри нас. А огнем можно как обогреть дом, так и этот же дом спалить. Это очень активный химический элемент, который занимается окислением органических и неорганических соединений. И мы, люди, как аэробы, тоже потребляем кислород в ходе дыхания, чтобы окислять пищу, получать энергию. Но при этом он же и разрушает нас — речь про окислительный стресс, с которым мы активно боремся с помощью антиоксидантов. И избыток этого газа во внутренних тканях организма запускает процесс мутагенеза, который сильно влияет на живые организмы. Точно также избыток кислорода и действует на водных обитателей.

 — Из-за чего еще могут мутировать обитатели водоема?

 — В Байкальских условиях помимо кислорода, важным фактором остается ультрафиолетовое излучение — оно проникает на глубину до 10 метров. А, как мы уже выяснили, лед здесь прозрачный, поэтому этот процесс идет и зимой, и летом. Всем хорошо известно, как можно обгореть на солнце, это именно разрушительное действие ультрафиолета. В природе, от ультрафиолета обгорают не только люди — нечто подобное происходит и с животными. И это излучение оказывает очень сильный деструктивный эффект на них — особенно на яйца, икру и только что вылупившихся личинок, и мальков. Они повреждаются, в первую очередь на уровне генетического аппарата. Но именно эти мутации, все эти процессы становятся важными источником новых признаков, топливом для быстрого эволюционного процесса.

 — Получается, в Байкале постоянно кипит жизнь — он постоянно меняется. Но насколько изучено озеро и все те процессы, которые в нем происходят?

Современные технологии исследований позволяют изучать только небольшие — по меркам полуторакилометрового озера — глубины до 50-100 метров, куда можно дотянуться сетками, тралами и разными глубинными инструментами. Да, с использованием батискафов и подводных дронов, можно иногда достать какие-то уникальные образцы с больших глубин. Но такие исследования случаются разово, крайне редко.

Представьте, если мы решили собрать и пересчитать все грибы, которые растут между Москвой и Санкт-Петербургом, но отправили бы на поиски только с десяток грибников — у нас получилась бы, мягко говоря, неполная картина. На самом деле, сегодня мы, изучая Байкал, находимся примерно в такой же ситуации. Например, более 90% дна Байкала по-прежнему фактически недоступны для полноценного изучения.

Кроме того, сегодня вообще нет каких-либо технологий и подходов, чтобы изучать подводные скалы Байкала. Полностью недоступна для исследователей зона так называемого «свала» — резкого вертикального обрыва в месте, где начинается основная байкальская трещина. Его зона может идти до километра в глубину, но мы не можем ни опустить туда аппаратуру, ни поставить там ловушки. И даже подплыть к этим скалам нет возможности, потому что с ними очень опасно работать — они часто обрушаются даже при попытке собрать там образцы роботом манипулятором. Но в подводных трещинах и пещерах Байкала обязательно кто-то живет — кто-то уникальный, эндемичный и еще не открытый учеными.

 — В таком случае Байкал — это настоящая находка для ученых. Но как знания об этом озере могут повлиять на нашу жизнь?

 — В первую очередь здесь можно отрабатывать технологии и инструменты для экологического мониторинга — вариантов очень много. Например, недавно мы с коллегами из компании «Yandex.Cloud» запустили систему цифрового мониторинга зоопланктона Байкала с помощью нейросетей. А, как мы уже говорили, планктон — это очень важный элемент всей экосистемы озера, и по нему можно многое понять о состоянии Байкала в целом.

Наш институт известен тем, что в нем выполняется уникальная мониторинговая программа — «Точка № 1». Она внесена в Книгу рекордов России как самый продолжительный проект экологического мониторинга в мире: с 1945 году раз в две три недели в одной и той же точке на Байкале отбираются и анализируются пробы фито- и зоопланктона. Раньше это делалось вручную, но сейчас появилась возможность автоматизировать эти исследования. Пока нейросеть работает в бета-версии, но в будущем подобную систему можно будет использовать не только у нас, но и на других природных объектах.

И это лишь верхушка айсберга — здесь, на Байкале, есть потенциальные открытия, которые могут изменить наше представление о сельском хозяйстве, биотехнологиях, медицине…

 — Известно, что в озере могут «прятаться» и новые антибиотики?

 — Да, и не только антибиотики, но и другие ценные биологически активные вещества, иммуномодуляторы, антираковые, геропротекторные соединения и многие другие. Байкал — это гигантская лаборатория для широкого спектра поисковых биотехнологических и, в частности, биофармацевтических исследований. Например, здесь множество животных, которые обитают на огромной глубине, организмов-падальщиков, выполняющих функцию санитаров, очищающих дно Байкала. Основу их питания составляют отходы жизнедеятельности обитателей толщи воды и погибшие от болезней организмы. Поэтому питаются они в, мягко говоря, не самой качественной и стерильной едой — им приходится бороться с разными инфекциями. И природа создает инструменты, помогающие им в этой борьбе.

В первую очередь, глубоководные падальщики завели себе симбиотическую фауну бактерий, которые синтезируют антибиотики. Это довольно распространённый подход для падальщиков, известный и в других экосистемах. Но байкальские организмы и продуцируемые ими соединения ранее еще никем не изучались. И сейчас у них огромный потенциал. С тех пор как кончился бум открытия новых антибиотиков, найти новые соединения очень трудно — основные экосистемы и организмы, которые могут производить их, давно изучаются или уже исследованы. Байкал в этом плане редкое исключение.

Поэтому вместе с коллегами из Германии мы провели исследование на Байкале. И за 5 лет мы нашли большое количество новых штаммов микроорганизмов, производящих антибиотики. Нам также удалось описать новую группу ранее неизвестных науке антибиотиков, которую мы и назвали в честь озера — байкаломицинами.

 — Какие еще «суперспособности» есть у живых организмов этого озера? И в каких областях они могут пригодиться?

 — Например, некоторые представители местной фауны очень холодоустойчивые. Они периодически то вмерзают в лед, то отмерзают и продолжают жить, без каких-либо повреждений. Они научились вырабатывать специальные вещества — криопротекторы — и специальные ферменты, которые помогают пережить зиму, не впадая в метаболическую депрессию. Их изучение должно подсказать нам методы, которые мы сможем использовать в криоконсервации органов и тканей, сложных органических соединений или клеток — в том числе для хранения белков, вакцин, сывороток.

 — Смогут ли они подсказать нам, где искать «лекарство» от старения?

 — Одна из базовых теорий старения связывает нашу продолжительность жизни с эффективностью работы нашей антиоксидантной системы: с возрастом она изнашивается, ткани начинают активнее окисляться — организм разрушается и, как следствие, стареет.

Поэтому то, как байкальские эндемики борются с избытком кислорода, с гипероксией, вырабатывая антиоксиданты, представляет большой интерес. Возможно, изучая их, мы поймем, как усилить и нашу антиоксидантную защиту и дольше сохранять молодость нашего организма.

Я уверен, что исследования, которые ведутся на Байкале, имеют огромную как фундаментальную, так и чисто прикладную ценность. Потому что это не просто озеро. Это гигантская система с огромными возможностями — еще никем не раскрытыми. Когда-то люди ехали добывать золото на Аляску. И Байкал сегодня — с точки зрения прорывных исследований — это настоящая Аляска времён золотой лихорадки.

Пока не так много людей знают, сколько материала для по-настоящему «золотых» научных открытий здесь спрятано. Но, на самом деле, байкальские открытия и будущие технологии, созданные на их базе, намного дороже для человечества, чем любые драгоценные металлы.

Чтобы увидеть, как работают ученые на Байкале, познакомиться с уникальными образцами и почувствовать себя в роли исследователей, посетите один из 10 открытых научно-популярных туров. Забронировать любой из них можно в разделе «Научно-популярный туризм» на нашем портале или на сайте Science-ID.

Полина Казакова