Байкал лечит
Иркутские ученые обнаружили бактериофага, который борется с возбудителем опасной инфекции
Лимнологический институт СО РАН называют главным по Байкалу. Его сотрудники не только проводят комплексные исследования озера, ежегодно открывают новые виды жизни в нем, но и получают патенты на изобретения. Одно из последних касается бактериофага, который борется с возбудителем опасной инфекции. Открытием уже заинтересовались медики. Об этом и других недавних результатах работы лимнологов узнали наши корреспонденты.
Вирусы – самые многочисленные жители планктонов
Для начала следует подробнее рассказать о бактериофагах. Эти убийцы бактерий по своей природе – вирусы. Казалось бы, вирусная тема из-за недавней пандемии у всех на слуху. Но подробные исследования микроскопических частиц мировая наука начала только в конце XIX века. А про водные вирусы и вовсе всерьез заговорили лишь ближе к концу прошлого столетия. Оно и понятно, размер вирусов измеряется в нанометрах – это одна миллиардная метра. У ученых просто не было соответствующих инструментов, чтобы их разглядеть. Но приборы совершенствовались, и микромир явил себя во всей красе.
Только в последние десятилетия стало известно, что в воде морей и океанов численность вирусных частиц значительно превышает количество всех других организмов планктонного сообщества. В одном литре морской воды их может быть около 10 миллиардов.
Вирусы играют ключевую роль в регулировании общей численности других микроскопических созданий. Представим единицу с 23 нулями. Именно столько морских бактерий каждую секунду инфицируют бактериофаги. Оставшееся в результате этой «расправы» растворенное и взвешенное вещество бактерии используют снова. Таким образом водные вирусы вносят существенный вклад в функционирование своих хозяев.
Эти знания о роли вирусов в циркуляции органического углерода и других элементов в Мировом океане изменили сложившиеся представления о «микробной петле» водных экосистем. Однако о вирусах в пресных водоемах информации до недавнего времени было крайне мало. Это относилось и к Байкалу.
Найдено новое звено «микробной петли»
– Первые серьезные научные работы о том, что в воде морей и океанов содержится огромное количество бактериофагов, появились в 1989 году. Меня тоже давно интересовала вирусология. Но тогда у нас не было приборов для их изучения, ведь в случае с бактериофагами нужен даже не просто электронный, а специальный трансмиссионный электронный микроскоп, – вспоминает главный научный сотрудник лаборатории водной микробиологии ЛИН СО РАН, доктор биологических наук, профессор, академик Российской экологической академии Валентин Дрюккер. – Мы тем временем как раз развернули на Байкале работы по изучению бактерий, предложили современную схему микробиологического мониторинга для оценки качества воды во всем озере. Позднее благодаря Михаилу Александровичу Грачеву, в то время директору института, у нас появился необходимый для исследований микроскоп и другое оборудование В начале 2000-х годов мы подготовили первую научную работу о байкальских вирусах и о том, что это по факту – новая цепочка в экосистеме Байкала. Кто-то из коллег на научном совете даже тогда удивился: «Какие вирусы в Байкале? Мы о таких не слышали».
В 2020 году группа ученых лаборатории водной микробиологии ЛИН СО РАН во главе с Валентином Дрюккером выпустила монографию «Бактериофаги озера Байкал». Современными методами лимнологи установили большое разнообразие байкальских вирусов, определили особенности их состава и размерного ряда, а также закономерности временного и пространственного распределения их численности до максимальных глубин.
Специалисты описали генетическое разнообразие, состав и структуру ДНК-содержащих вирусных сообществ пелагиали озера. Подготовили современную схему «микробной петли» Байкала, куда включили ранее неизвестное вирусное звено. Это существенно дополнило структурно-функциональную организацию экосистемы самого древнего и глубокого пресного водоема Земли.
С виду – молоток, а по сути – паразит
Микробная петля, или трофическая сеть, включает в себя массу бактерий, мельчайших водорослей, инфузорий и прочих крошечных обитателей планктонных сообществ. Внутри них постоянно удерживаются биогенные вещества. Ученые подчеркивают, что для озера Байкал большое значение имеет проблема сохранения высокого качества воды и разработка конкретных мероприятий по предотвращению загрязнения уникального водоема. Здесь важную роль играют исследования структуры и функционирования микробного населения озера, особенно сейчас, в период глобального потепления. Ведь именно микроорганизмы выполняют основную функцию самоочищения водоемов и водотоков.
– Мы совместно с учеными Москвы, Санкт-Петербурга, Казани и других городов России доказали, что бактериофаги обитают во всей толще воды Байкала, – продолжил Валентин Дрюккер. – Методом трансмиссионной электронной микроскопии мы в Байкале впервые нашли, идентифицировали и изучили девять семейств вирусов бактерий. Обнаружили четыре морфологических типа фагов, они, вероятно, являются эндемиками. В процессе работы нашли и провели полное метагеномное исследование гигантского вируса, который представляет новый род вирусов Baikalvirus класса Caudoviricetes согласно современной таксономической международной классификации ICTV, внесенный в нее как «Байкал-вирус».
Тех, в чьем существовании еще недавно сомневались даже коллеги по институту, Валентин Валерьянович показывает нам на экране компьютера. Бактериофаги во всей красе. Одни похожи на молотки, другие – на юлу, третьи – на мухобойки, четвертые – на отдельные ячейки пчелиных сот. У кого-то есть длинные хвосты, у кого-то они отсутствуют. Вот душераздирающая картина: эти крошки облепили одинокую бактерию и впрыскивают внутрь что-то – как оказалось, ДНК. И без того короткие «дни» жертвы сочтены, ведь бактериофаги – абсолютные паразиты.
Лечат эффективнее антибиотиков
В этой их сути заключается еще одна сложность для исследований. Разглядеть в микроскоп малюсенькое создание – это полдела. Нужно в лабораторных условиях вырастить не только сам вирус, но и его хозяина. И в отличие от выращивания колонии какой-нибудь кишечной палочки, это более трудоемкое занятие. Да и масса других исследований вирусов разными методами весьма затратны, даже с финансовой точки зрения. Однако эта тема сулит немало открытий и возможностей.
– Мы уже зарегистрировали два патента на изобретения в 2023 и в 2024 годах. Поскольку вирусы бактерий очень высоко специфичны и убивают только своих хозяев, мы обнаружили в Байкале и выделили конкретные бактериофаги, которые уничтожают исключительно бактерии Pseudomonas aeruginosa. Они являются возбудителями инфекции или осложнений, вызываемых этой синегнойной палочкой. Сейчас она не лечится антибиотиками. Мы провели резистентные эксперименты – добавили к антибиотикам бактериофаги. В результате более 90% бактерий погибли. Нашим изобретением стали интересоваться клиники, – уточнил ученый.
Новые виды и старые проблемы
Помимо вирусов за последнее время ученые ЛИН СО РАН открыли и другие виды жизни в Байкале. Речь идет о беспозвоночных. Совместно с коллегами из Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН лимнологи описали пять новых для науки видов микротурбеллярий, два вида гарпактикоид, два вида нематод. Это существенно дополнило состав уникальной байкальской фауны.
В литорали открытого озера, в бухтах и заливах на глубине 20–25 метров обнаружен новый для Байкала вид ветвистоусых ракообразных – Chydorus sf.biovatus Frey, который ранее встречался в Северной Америке, Центральной Якутии, на Камчатке. В прибрежье Посольского сора найдены самцы и самки палеарктического вида гарпактицид Canthocamptus (Canthocamptus) microstaphylinus Wolf 1905. Это первая находка в Байкале, в Байкальском регионе и Сибири в целом, что значительно расширяет ареал обитания вида.
– Кроме того, в институте подведены результаты многолетних исследований разных форм азота и фосфора в речных водах и в снежном покрове юго-восточного и юго-западного побережья Байкала. Эти данные собирали в период с 2019 по 2023 годы и сравнили их с показателями 1986–1987 годов. Оказалось, что в воде всех притоков Южного Байкала увеличилась концентрация нитратного азота, поскольку за последние 30–40 лет в полтора раза выросло поступление азота из атмосферы. В снеге и в устьях водотоков юго-западного побережья также возросли концентрации минеральных форм фосфора. Там, особенно в Листвянке, отмечено значительное влияние хозяйственной деятельности. В то же время в пик пандемии коронавируса в 2020–2021 годах, когда было мало туристов, эти показатели снижались. Кстати, спирогира в той же Листвянке на дне Байкала по-прежнему чувствует себя отлично: она уже произвела экспансию, – прокомментировал директор ЛИН СО РАН, доктор геолого-минералогических наук Андрей Федотов.
В Байкале подрастает молодой омуль
Интересующие многих исследования ученые провели и в части изучения байкальского омуля. В ходе гидроакустических и траловых работ на Селенгинском мелководье, основном рыбопромысловом районе Байкала, сотрудники ЛИН выявили, что хоть с 2007 по 2020 годы биомасса омуля снизилась в четыре раза, тем не менее за счет поколений 2019–2024 годов увеличивается численность молоди. Эти поколения в перспективе четырех-шести лет обещают дать рост биомассы, что дарит надежду на возможный пересмотр запрета вылова этой рыбы в будущем.
Также на основании многолетних рядов наблюдений лимнологи разработали количественные показатели высокого и низкого притока в озеро Байкал и стока его главных рек. Для оценки водности они предложили семь классов: от катастрофически высокой – до катастрофически низкой. Более четкая градация позволит избежать разных толкований на тему водности, что повлияет и на нормативную базу.
– Еще мы продолжаем изучать экстремальные явления в бассейне озера Байкал. Наши ученые впервые на основе анализа температуры воздуха с мая по сентябрь за 57 лет выяснили, что на Байкале возросло не только количество жарких дней, но и тропических ночей, когда температура воздуха в ночной период не опускается ниже +20 градусов по Цельсию. Экстремальные явления стали более частыми после 1990 года. А вот температура воды самого Байкала, по данным нашего мониторинга, в целом не растет. Даже когда где-то она становится теплее, приходит шторм и снова приносит на этот участок более холодную воду. Зато загадкой остается разный изотопный состав воды, поступающей в озеро и находящейся в нем. Причем даже во всех трех котловинах Байкала изотопный состав разнится, к примеру, в северной части озера вода более «легкая». С чем это связано – нам еще предстоит узнать, – резюмировал Андрей Федотов.
Кстати
Научный интерес к Байкалу растет. Это показывают результаты последних конференций по проблематике Священного моря. Уже более 300 докладов заявлено и на VIII международную Байкальскую Верещагинскую конференцию, которую в честь 100-летия начала работы Байкальской экспедиции Академии наук СССР проводит ЛИН СО РАН. Мероприятие состоится в Иркутске с 8 по 14 сентября.
