Сделан первый масштабный замер микробного состава средних и верхних слоев земной тропосферы (12–18 км), степень инфицированности которых – прежде всего бактериями – оказалась неожиданно высокой. До сих пор не ясно, являются ли эти зоны, мало приспособленные для жизни, естественной средой обитания микробов, возможно, живущих и размножающихся на мельчайших частицах взвешенной в тропосферном воздухе углеродсодержащей пыли (которая может иметь и космическое, в том числе метеоритное происхождение), или они заносятся сюда потоками воздуха из нижних, приповерхностных слоев.
Как бы то ни было, сам факт их присутствия на больших высотах, где происходит формирование облаков, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов, представляет большой интерес для климатологов, поскольку взвешенные в воздухе микроорганизмы могут влиять на динамику фазового перехода атмосферного водяного пара в кристаллы льда, что, в свою очередь, может влиять на погоду и климат. Также тропосферная миграция бактерий может объяснить механизм распространения инфекций на большие, в том числе межконтинентальные, расстояния.
Микробный состав тропосферы был исследован в рамках программы NASA «GRIP» по изучению механизма формирования штормов в тропических широтах (NASA`s Genesis and Rapid Intensification Processes). Забор образцов воздуха осуществлялся летающей лабораторией NASA на базе самолета DC-8 над участками суши (побережье Калифорнии и континетнальная часть США), а также Карибским морем и Атлантическим океаном до, во время и после тропических штормов Earl и Karl в 2010 году. Результаты исследования, осуществленного сотрудниками Технологического института Джорджии, опубликованы сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Для анализа микробного состава воздуха были сконструированы специальные фильтры, соединенные с воздухозаборниками и анализаторами ДНК, позволяющими определять количественный и видовой состав микроорганизмов почти в реальном времени без предварительного высевания микробов в питательном субстрате.
Как показал анализ, жизнеспособные клетки бактерий составляют примерно 20% частиц диаметром от 0,25 до 1 микрона, содержащихся в воздухе на высоте 8-10 км (то есть в средних слоях тропосферы).
Концентрация аэрозольных частиц этого размера менялась в зависимости от высоты, составляя 59 млн частиц на кубический метр в самых нижних слоях тропосферы (0-1 км) и снижаясь до 2,6 млн на куб. м на высоте 7-8 км. Здесь общее число бактерий в исследованных образцах было на порядок больше, чем одноклеточных грибов, а доля их содержания по отношению к общей массе аэрозольных частиц микронного и субмикронного размера колебалась от 3% до (в некоторых образцах, собранных в зоне ураганов) 100%. В любом случае концентрация бактерий в средней и верхней тропосфере (в среднем — 20%) оказалась больше, чем в приповерхностных слоях воздуха, где на 1 живую бактерию приходится примерно 1 миллион неживых частиц размером до 1 микрона.
Оперативная расшифровка ДНК выявила 17 различных типов бактерий, обнаруженных в средней и верхней тропосфере. Большая их часть была океанического происхождения, если заборы воздуха осуществлялись над океаном, и наземного, когда заборы осуществлялись над сушей. Интересно, что некоторые типы бактерий, обнаруженные в тропосфере, способны перерабатывать органические соединения, присутствующие в воздухе на больших высотах, например щавелевую кислоту. Выяснилось также, что ураганы оказывают существенное влияние на концентрацию и динамику распространения микробов в средней и верхней частях тропосферы.
Последние могут инициировать формирование ледяных кристаллов на больших высотах, при этом роль центров конденсации водяного пара могут играть как сами бактерии, перерабатывающие, возможно, атмосферную органику, так и продукты их жизнедеятельности.
«В отсутствие или при очень низких концентрациях пыли, на которой конденсируются кристаллы водяного льда, на таких высотах достаточно небольшого количества микроорганизмов, чтобы запустить процесс конденсации пара и образования льда, что, в свою очередь, может влиять на динамику формирования и поведения облаков», — комментирует результаты анализа один из авторов статьи Атанасиос Ненес, профессор Технологического института Джорджии.
По всей видимости, большая часть микробов попадает в верхние слои тропосферы на высоту до 18 км с водно-пылевой взвесью, увлекаемой потоками воздуха с поверхности суши и океанов.
Какие из них более приспособлены к выживанию на таких высотах в условиях низких температур, дефицита питательных веществ и повышенной радиации, а какие менее, только предстоит выяснить. Между тем вопрос об уровне жизненной активности микробов на больших высотах остается наиболее интригующим не только в контексте высшей границы распространения живого вещества, но и с точки зрения его влияния на климат – как пассивного (если единственным источником поступления микробов в тропосферу является водно-пылевая аэрозоль, увлекаемая с поверхности Земли), так и активного (если микробы продолжают жить и размножаться в средней и верхней частях тропосферы).
И в том и в другом случае придется корректировать существующие представления об эволюции земного климата, которые основаны на «чистых» газодинамических моделях и не учитывают вклада многих других факторов, роль которых может быть существенной. Например, микробного состава средней и верхней частей тропосферы, влияющего не только на процесс образования облаков, но, возможно, и на ее химический состав.