Железомарганцевые конкреции, залегающие на шельфе Карского моря, населены уникальными микробными сообществами, вероятно, ускоряющими процесс формирования самих конкреций. Состав этих микробных сообществ, использующих железомарганцевые конкреции в качестве среды обитания и убежища в суровых условиях арктических морей, во многом зависит от химического состава конкреций.
Типичные железомарганцевые структуры Карского моря
Фото: И. Анисимов / ИО РАН
Типичные железомарганцевые структуры Карского моря
Фото: И. Анисимов / ИО РАН
Образование полиметаллических руд в Мировом океане — уникальное природное явление. К таким рудам относятся, в том числе, и железомарганцевые конкреции — шарообразные минеральные отложения на океанском дне.
Первые находки железомарганцевых конкреций были сделаны в начале XIX века на легендарном судне «Челленджер» в Северной Атлантике. В последующие годы внимание к их изучению было слабым из-за труднодоступности районов исследования. И только в последние 20–25 лет интерес к этому виду минерального сырья привлек пристальное внимание мирового научного сообщества и индустрии.
Первая океанографическая экспедиция
С 1872 по 1876 год небольшое парусно-паровое судно «Челленджер» прошло 68 890 миль по семи морям и собрало беспрецедентное количество информации о них, тем самым положив начало океанографической науке.
Организовал экспедицию профессор физики из Эдинбурга Чарльз Уайвилл Томсон. Томсон впервые провел экспедиции на судах Британского адмиралтейства, с борта которых выполнялось драгирование; их результаты были столь интересными, что побудили Томсона и Королевское общество Великобритании обратиться к адмиралтейству с грандиозным проектом. Они запросили судно, которое могло бы проводить исследования «условий глубоководных зон океана во всех великих океанских бассейнах». Военно-морские власти, к тому времени уяснившие важность исследований океана, предоставили в их распоряжение военно-морское судно «Челленджер».
По выходе в море из Портсмута «Челленджер» тотчас попал в сильный шторм. Томсон заявил, что этот шторм не дурное предзнаменование, так как буря «пролила свет на все наши слабые места» и укрепила уверенность в том, что экспедиция подготовлена хорошо. Научный персонал точно выполнял в определенные сроки всю программу наблюдений: измерение полной глубины моря, температуры на разных глубинах, изучение атмосферных и метеорологических условий, направления и скорости течений на поверхности океана, а при случае и на разных глубинах. Они также поднимали драгой со дна образцы грунтов и горных пород, экземпляры растений и животных, а кроме того, отбирали пробы воды и вылавливали мелкие морские организмы с разных глубин. За все время плавания такие работы были выполнены на 360 станциях, разбросанных над океанским дном площадью 140 млн квадратных миль.
Чтобы представить себе ценность научных результатов «Челленджера», следует вспомнить, что тогда каждый новый организм был долгожданной находкой — его надо было поставить на соответствующее место в схеме эволюции жизни на Земле. Экспедиция «Челленджера» нашла 715 новых родов и 4417 новых видов живых существ. Оказалось, что океаны изобилуют неизвестными доселе oрганизмами, «ожидающими», чтобы их классифицировали. Исследования «Челленджера» бесспорно доказали, что в море на больших глубинах существует жизнь.
Этим путешествием в океанографии была открыта эра описательных исследований, на смену которой в нашем столетии пришла эпоха аналитической океанографии.
Плавание «Челленджера», Герберт С. Бейли-младший, 1953 г.
Основу конкреций составляют окисные соединения железа и марганца, концентрации которых могут достигать десятков процентов. Кроме того, конкреции обогащены другими металлами и редкоземельными элементами — а это сырье для широкого спектра новейших высокотехнологичных и экологически чистых разработок, без которых уже невозможно представить современный мир. За последнее десятилетие мировое потребление многих редких металлов значительно возросло, а их поставки не всегда выглядят надежными из-за ограниченного числа крупных производителей. Усиление конкуренции за ресурсы со стороны быстро растущих экономик (например, Китая, Индии, Бразилии, Индонезии) может привести к дефициту критически важного сырья.
Глубоководные и шельфовые месторождения полиметаллических руд, запасы которых оцениваются в 300 млрд тонн, не заменят наземную добычу, но станут дополнительным источником сырья для удовлетворения растущих потребностей.
Откуда берутся конкреции
Обширные скопления железомарганцевых конкреций обнаружены в глубоководных районах Тихого и Индийского океанов на глубинах 4000–6000 м. Исследования показали, что в этих местах скорости роста рудных образований составляют миллиметры в миллион лет. В то же время на морском шельфе формирование и рост конкреций происходит в тысячу раз быстрее.
По морфологии выделяются сфероидальные, эллипсоидальные, дискоидальные и полиядерные типы. Конкреции часто формируются вокруг обломков горных пород, раковин моллюсков, а иногда ядром для их роста становятся зубы древних вымерших акул. Размер конкреций колеблется в широких пределах — от миллиметров до десятков сантиметров в поперечнике.
«При почти полном отсутствии органических веществ»
При микроскопическом исследовании в культурах [из Северного Ледовитого океана] наблюдалась, несомненно, пестрая смесь организмов, в которой преобладали кокки разной величины. Посев этой смеси на контрастный агар с рыбным бульоном дал целый ряд пигментных организмов — тут были кокки самой разнообразной величины и всевозможных оттенков: красных, красноватых, малиновых, оранжевых, желтых, соломенных. Такого разнообразия различно окрашенных форм мне не приходилось встречать при других бактериологических анализах. Среди них не было ни одного, способного образовать азотистую кислоту, но были зато организмы, развивающиеся при почти полном отсутствии органических веществ.
Академик Борис Исаченко, Исследования над бактериями Северного Ледовитого океана, 1914 г.
Механизмы образования полиметаллических руд являются дискуссионной темой в научном сообществе. В 1970-е годы некоторые исследователи выдвигали гипотезу об активном участии микроорганизмов в формировании железомарганцевых конкреций. Впервые она прозвучала в работах американского микробиолога Хайнриха Эрлиха в 1963 году (Ehrlich, H. L. Bacteriology of manganese nodules). Позднее, в 1980-е, были сообщения советских (ленинградских) микробиологов о возможности ускоренного осаждения минералов железа и марганца из морской воды под воздействием микроорганизмов. Однако прямых доказательств участия микробов в формировании железомарганцевых конкреций в естественных условиях найдено не было.
Перелом наступил в 2000-х годах, когда с помощью сканирующего электронного микроскопа ученым удалось найти структуры, похожие на минерализованные клетки микроорганизмов, внутри образцов конкреций и определить их состав. Когда существенный прогресс молекулярно-биологических методов позволил выделять и анализировать тотальную ДНК из самых разнообразных образцов, в том числе из конкреций, казалось, что вопрос о биологическом механизме их формирования будет решен.
Не все так просто
Однако природа этого явления оказалась намного сложнее. С помощью методов молекулярной биологии было показано, что, например, в состав микробных сообществ глубоководных конкреций Тихого океана входят микроорганизмы, способные окислять железо и марганец, а изменения состава этих сообществ коррелирует со скоростью роста конкреций. Однако детальное изучение данного вопроса еще только начинает проводиться учеными разных стран. В то же время предполагаемые «микробные минералоги» оказались не доминирующими группами в этих микробных сообществах. Дальнейшее расширение молекулярно-биологических работ по конкрециям показало, что их населяют очень разнообразные сообщества микроорганизмов, в которых, как ни странно, доминируют микробы, осуществляющие биогеохимический цикл азота (окисление и восстановление его соединений), а отнюдь не циклы железа и марганца, как ожидалось. Механизм влияния микроорганизмов на рост конкреций остался неясным.
Таким образом, в настоящее время для образования железомарганцевых конкреций можно предложить несколько гипотез, различающихся по предполагаемому механизму формирования и источникам рудного вещества:
а) седиментационную;
б) диагенетическую, основанную на абиотических физико-химических реакциях;
в) биохемогенную, обусловленную активностью микроорганизмов.
Очевидным остаётся факт, что формирование конкреций происходит в сложной взаимосвязанной системе химических, физических и биологических процессов на океанском дне.
Карская находка
Неожиданную подсказку к разгадке этих взаимосвязей дали исследования железомарганцевых конкреций сурового Карского моря.
Это типичное арктическое море с холодным климатом. Расположенное за Полярным кругом, оно почти девять месяцев в году покрыто льдом. В некоторых его районах на глубинах даже летом сохраняются отрицательные температуры.
В Карское море попадает огромный пресноводный сток Оби и Енисея, крупнейший во всем Арктическом бассейне. Этот факт является ключевым для функционирования арктической экосистемы.
Шельфовые (мелководные) железомарганцевые конкреции были обнаружены впервые именно в Карском море в 1878–1880 годах. Но их изучение началось лишь век спустя — советскими учеными. На сегодняшний день хорошо исследован геохимический и минералогический состав конкреций в Карском море, и показано, что эти конкреции формируются и растут в десятки раз быстрее, чем такие же отложения в глубинах океана. О составе их микробных сообществ ранее сведений не было, несмотря на то что микробиота арктических морей и ее геохимическая активность были и остаются предметом детальных исследований для российских и ведущих мировых микробиологов уже более ста лет — со времен первых работ академика Бориса Исаченко, начавшихся еще в 1906 году.
Недавно ученые из Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (Москва), Института микробиологии им. С. Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва), Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (Москва) совместно с зарубежными коллегами изучили строение, химический состав и микробные сообщества в арктических железомарганцевых конкрециях. Образцы взяты из трех различных по условиям районов Карского моря. Это нашло отражение в их химическом составе — преобладали соединения либо железа, либо марганца. Концентрации железа и марганца оказались сопоставимыми с таковыми в глубоководных конкрециях, имеющих промышленную ценность.
Анализ показал присутствие внутри конкреций минерализованных форм крупных колоний микроорганизмов с палочковидными и шарообразными (коккоидными) клетками. Поверхность клеток была покрыта оксидами железа и марганца и напоминала своеобразный панцирь. Анализ тотальной ДНК микробных сообществ трех типов арктических конкреций показал, что только 20% обнаруженных таксонов (видов, родов и семейств) микроорганизмов были общими для всех изученных образцов.
Дом, который построили микробы
Наиболее многочисленных из этих «космополитов» на основе анализа генов 16S рРНК ученые отнесли к семействам Kiloniellaceae, Hyphomicrobiaceae и Pirellulaceae. Выяснилось, что в условиях, формирующихся внутри железомарганцевых конкреций, из широкого разнообразия морских микроорганизмов происходит естественный отбор бактерий, потенциально способных к восстановлению металлов (филум Desulfobacterota), окислению железа (семейства Hyphomicrobiaceae и Scalinduaceae), либо его внутриклеточному накоплению (семейства Nitrosopumilaceae или Magnetospiraceae). Кроме того, как и в сообществах глубоководных конкреций, в железомарганцевых отложениях Карского моря оказались широко представлены микроорганизмы, способные окислять или восстанавливать соединения азота.
Селекция организмов, использующих для получения энергии большое разнообразие неорганических доноров и акцепторов электронов (соединений металлов и азота), коррелирует с нестабильностью окислительно-восстановительных условий в донных осадках Карского моря. Резкие изменения этих условий, которые происходят из-за нестабильного притока органики, пресной воды и деятельности придонных течений, в разное время года формируют очень разнообразное микробное сообщество донных отложений, в котором доминируют то одни, то другие физиологические группы микроорганизмов. Исследования арктических железомарганцевых конкреций показали, что эти рудные образования представляют собой уникальные экологические микрониши, внутри которых формируются стабильные физико-химические условия.
Такие условия, в свою очередь, благоприятствуют распространению микроорганизмов, способных к восстановлению, окислению или накоплению металлов. Суммарная физиологическая активность подобных микробов может существенно ускорять процессы минерализации и формирования железомарганцевых конкреций, разнообразных по морфологии, внутренней структуре и элементному составу. В связи с этим напрашивается аналогия, что зарождающиеся на дне Карского моря конкреции представляют собой убежище для микробной популяции донных отложений, защищающее ее от крайней нестабильности окислительно-восстановительных условий окружающей среды. В свою очередь, микробная популяция изменяется под влиянием стабилизации этих условий и своей геохимической активностью начинает способствовать быстрому увеличению своего убежища. Именно благодаря таким микробным строителям, отчасти уникальным для каждого из изученных образцов, отчасти представленным в каждом из них, могут значительно ускоряться процессы формирования пористого матрикса железомарганцевых конкреций, изменяться их состав и размеры.
Дальнейшее комплексное изучение арктических конкреций может привнести новое в понимание как шельфового рудогенеза, так и глобальных биогеохимических циклов в Мировом океане.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.