Ледяная эволюция

Гряда Трансантарктических гор тянется через всю Антарктиду более чем на 3 тыс. км, разделяя континент на западную и восточную части. Эта горная цепь шириной от 100 до 200 км служит своего рода дамбой, удерживающей Восточно-Антарктический ледниковый щит — громадный купол льда, возвышающийся на 3 тыс. м над уровнем моря. Но через глубокие ущелья между горными пиками потоки льда медленно перемещаются отсюда в западном направлении и подпитывают расположенный значительно ниже Западно-Антарктический ледниковый шит. Благодаря постоянно дующим над восточными плато сухим ветрам сами горные вершины всегда остаются бесснежными.

В зимнее время температура воздуха в южной части Трансатлантического хребта опускается ниже –40° С. Тонкий слой почвы, покрывающий некоторые из горных пиков, на протяжении десятков и даже сотен тысяч лет никогда не увлажнялся водой, а значит, подобно марсианскому грунту, накопил значительное количество едких солей. И все же, несмотря на невероятную суровость окружающей среды, горстка крошечных живых существ с полным правом могут назвать эти горы своим домом. Хогг и Адамс пытаются выяснить, какие виды животных обитают в Антарктиде, собирая их образцы с 2006 г. Но мелкое членистоногое, открытое в 1964 г. и получившее название Tullbergia mediantarctica, на глаза им пока не попадалось. Гора Спид — место, где ученые решили вести свои поиски, – представляет собой невысокий горный хребет в южной части Трансантарктических гор, удаленный от моря примерно на 700 км. Здесь через горное ущелье шириной примерно 10 км медленно ползет с востока на запад ледник Шеклтона. Иэн Хогг, биолог из канадской правительственной организации Polar Knowledge Canada, замечает скалу, напоминающую по форме гору, описанную в заметках энтомолога. Пилот сажает на нее вертолет, и пассажиры ступают на голый каменистый склон, усыпанный обломками желтоватого гранита. Ученые начинают осторожно переворачивать камни и тщательно осматривать грунт под ними. Через несколько минут они обнаруживают вожделенных букашек – десятки беловатых шестиногих существ длиной менее 1,5 мм. Животные медленно, но целеустремленно лавируют между песчинками, нащупывая путь с помощью мясистых антенн (усиков), похожих на пару растопыренных пальцев. Эти нежные существа, однако, чрезвычайно чувствительны к недостатку влаги: на открытом воздухе они буквально через несколько минут сморщиваются и умирают. За несколько последующих дней Хогг и Адамс обнаружили членистоногих под камнями и на четырех других горных склонах у нижней оконечности ледника Шеклтона. Иногда населенные ими «оазисы» не превышали по площади баскетбольную площадку.

Tullbergia mediantarctica — один из многочисленных видов крупной группы (подкласса) примитивных бескрылых родственников насекомых, называемой коллемболами (Collembola), или ногохвостками. Мало кто слышал об этих неприметных существах, хотя они буквально кишат в верхних слоях почвы и траве по всему свету. Живут эти миниатюрные создания почти во всех регионах нашей планеты, а несколько видов обитают и на участках свободной ото льда земли в глубине Антарктиды, где кроме скудных бактерий и микроскопических грибов почти нет никакой пищи.

Но каким образом Tullbergia mediantarctica и другие ногохвостки попали в холодные антарктические горы и как им удалось пережить здесь десятки ледниковых периодов? Эту загадку и пытаются разгадать ученые. По завершении в 2018 г. своей экспедиции Иэн Хогг и Байрон Адамс, биолог из частного Университета Бригама Янга, приступили к генетическому анализу обнаруженных экземпляров Tullbergia mediantarctica, а также других видов ногохвосток, собранных ими во время этого путешествия в Антарктиду. Результаты этих исследований, которые ученые обсуждали с автором настоящей статьи и которые будут позднее опубликованы в текущем году, несомненно, прольют новый свет на естественную историю этих удивительных существ. А это в свою очередь, возможно, заставит ученых переписать историю великих перемещений массивных ледяных щитов по континенту по мере похолодания и потепления климата на планете на протяжении миллионов лет. Кроме того, изучение Tullbergia mediantarctica и других подобных им организмов значительно расширяет наши представления о пределах выносливости живых существ, вновь и вновь заставляя убеждаться, что даже сложные формы жизни способны существовать в самых суровых условиях окружающей среды.

Иммигранты ледникового периода

Антарктида славится пингвинами и тюленями, но эти крупные животные живут главным образом только на побережьях континента и добывают корм (криль, рыбу и т.д.) в море. Во внутренней части континента, площадь которой превосходит совокупную территорию США и Мексики, эти «брендовые» антарктические существа жить не могут: примерно на 98% она покрыта толстыми ледяными щитами.

В начале XX в. ученые, однако, обнаружили, что в глубине Антарктиды, на расстоянии многих километров от побережий, имеются свободные ото льда участки земли, населенные разнообразными мелкими животными — ногохвостками, клещами, червями и крошечными бескрылыми комариками. Поскольку всем этим существам для жизни требуется вода, чаще всего они живут в небольших куртинках лишайников и мхов на северных склонах, которые летом круглые сутки освещаются лучами солнца, растапливающими снег и таким образом обеспечивающими животных влагой.

В 1964 г. ледник Шеклтона посетил энтомолог Кит Уайз, решивший выяснить, населяют ли животные один из самых уединенных уголков внутренней части Антарктиды. 13 декабря ученый вышел на лыжах из лагеря и, поднявшись на несколько километров вверх по леднику, достиг основания горы Спид. Вода, образовавшаяся в результате таяния снега, стекала со скалы, увлажняя почву у ее основания. Здесь Уайз обнаружил два вида ногохвосток — серую Antarctophorus subpolaris, которую он встречал в других местах планеты, и неизвестную науке Tullbergia mediantarctica с беловатой окраской.

На протяжении нескольких десятилетий после открытия Уайза ученые пытались воссоздать по разрозненным фрагментам историю ландшафта, где была найдена новая ногохвостка. Как показал анализ морских отложений, за последние 5 млн лет Антарктида пережила 38 ледниковых периодов. Во время этих похолоданий климата ее ледники утолщались и погребли под собой многие горные склоны, которые вновь обнажаются в наши дни. Температура воздуха тогда была на 5–10° C ниже, чем сегодня. По мнению большинства специалистов, «поднимавшиеся ледяные щиты стирали с лица земли почти все, что попадалось им на пути», — говорит Стивен Чоун (Steven Chown), полярный эколог из Университета Монаша в Мельбурне.

Ученые предполагают также, что после завершения ледниковых периодов ледники истончались и сползали вниз по склонам, обнажая горные пики.

В результате вершины скал мало-помалу заселялись различными видами животных, которые приплывали в Антарктиду из Патагонии, Новой Зеландии и Австралии с морскими течениями или «прилетали» сюда на лапах морских птиц. Эти животные-иммигранты, вероятно, сменяли виды, уничтоженные ледниками. С наступлением следующего ледникового периода животные-новоселы, по-видимому, также исчезали, а на смену им после очередного потепления прибывала новая волна животных-иммигрантов. Большинство экспертов полагали, что виды, встречающиеся в Антарктиде в какой-либо момент времени, не могли жить здесь дольше 20 тыс. лет.

Но в 2005 г. представления ученых изменились. Две независимые группы исследователей опубликовали результаты генетического анализа, противоречившие этой общепринятой точке зрения. Эколог из Британской антарктической службы Питер Конви (Peter Convey) совместно с Джулианой Аллегруччи (Giuliana Allegrucci) из Римского университета сравнили генетические последовательности у бескрылых комариков, обитающих в Антарктиде и Патагонии — южной оконечности Южной Америки. Основываясь на различиях этих последовательностей и фундаментальных представлениях о темпах их случайных «Мы не могли поверить собственным глазам!» — говорит Конви. Это означало, что антарктические бескрылые комары были отнюдь не иммигрантами, а потомками коренных жителей континента.

Изоляция в пять миллионов лет 68 млн лет назад Антарктиду покрывали пышные леса, населенные динозаврами и древнейшими млекопитающими. В то время она еще была соединена с Южной Америкой. Эти массивы суши образовывали последний рудимент некогда огромного суперконтинента Гондваны, от которого уже отделились Африка и Австралия. Примерно 35 млн лет назад Антарктида отсоединилась от Южной Америки и погрузилась в глубокую пучину ледяных холодов, уничтоживших здесь почти все живое.

Второе исследование, проведенное в 2005 г., показало, что некоторые виды антарктических ногохвосток появились на этом континенте задолго до последних ледниковых периодов. Хогг и его бывший аспирант Марк Стивенс (Mark Stevens), работавший тогда в Университете Уаикато в Новой Зеландии, провели анализ генных последовательностей с целью определить время, когда произошло разделение эволюционных путей нескольких видов антарктических ногохвосток и родственных им видов, обитающих в Австралии, Новой Зеландии и Патагонии. Согласно полученным данным, это случилось по меньшей мере 10–20 млн лет назад.

Эти и другие подобные открытия поставили ученых в тупик: они не могли объяснить, как таким крошечным существам удалось пережить столько суровых ледниковых периодов. Одни биологи предположили, что мелкие членистоногие уцелели только потому, что жили в небольших изолированных бесснежных лощинах-оазисах, называемых Сухими долинами Мак-Мердо. Эти природные комплексы расположены в северной части Трансан- тарктических гор в 850 км к северу от того места, где Хогг и Адамс обнаружили Tullbergia mediantarctica. Долины Мак-Мердо удивительным образом оставались свободными от снега и льда на протяжении последних 12 млн лет. По мнению других ученых, животные переживали ледниковые периоды поблизости от геотермальных источников в окрестностях немногочисленных вулканов, расположенных вдоль береговой линии континента. Не исключено, что, пережив ледниковый период в этих прибрежных укрытиях, животные затем каким-то образом перебирались вглубь Антарктиды и заселяли горы, соседствующие с ледником Шеклтона, и другие похожие места обитания.

Полученные позднее данные, однако, не подтвердили это предположение. Tullbergia me- diantarctica и другие животные «не водятся в других частях Антарктиды, — поясняет Адамс. — Их не встретишь около вулканов; нет их и на побережьях». Все это опровергает представление, что в прошлом они населяли эти отдаленные местообитания.

В период с 2006 по 2017 г. Хогг посетил более дюжины участков в Трансантарктических горах для сбора живых ногохвосток. Совместно с Адамсом, сопровождавшим его в некоторых поездках, ученый обнаружил пять видов этих существ, все из которых были известны науке и прежде. Но Tullbergia mediantarctica биологи встретили лишь в 2018 г. при посещении горы Спид.

Когда Хогг привез найденных ногохвосток в свою лабораторию, его сотрудники тут же принялись определять их генетические последовательности. Аспирантка Джемма Коллинз (Gemma Collins) секвенировала короткий сегмент ДНК каждого из этих животных, соответствующий гену белка (фермента), называемого цитохром C-оксидазой. Она потратила несколько месяцев на сравнение генетических последовательностей более чем 1,1 тыс. животных из разных мест, расположенных вдоль Трансантарктической горной цепи (некоторые из этих образцов были собраны годами ранее). Сравнение полученных результатов должно пролить свет на происхождение животных. Так, оно поможет ученым выяснить, произошла ли изоляция их популяций, населяющих различные местообитания, в результате расширения ледяных щитов или животные просто перебирались на новые территории по тонкому льду.

В самые теплые промежутки времени между ледниковыми периодами Западно-Антарктический ледовый щит, по-видимому, истончался и отступал, а шельфовый ледник Росса, покрывающий значительную часть моря Росса, возможно, исчезал вовсе. Оба эти события вполне могли позволить океану проникать вглубь континента вдоль горной цепи. Хогг предположил, что во время этих потеплений, когда обширные участки суши освобождались ото льда, крошечные животные, вероятно, расселялись по континенту и скрещивались с представителями изолированных популяций того же вида. Ногохвостки вполне могли расселяться и благодаря переносу морской водой. ««Попав на новое местообитание, – говорит Хогг, – животные могли задерживаться здесь на 50–100 тыс. лет, пока горные склоны не начинали вновь обрастать льдом».

Но, как показывают результаты генетического анализа, перемещения Tullbergia mediantarctica и упомянутых выше Antarctophorus subpolaris даже в периоды потеплений имели гораздо более ограниченный характер, чем было принято считать прежде. Оказалось, например, что две популяции Antarctophorus, представители которых были собраны с лишенных льда горных склонов по разные стороны ледника Шеклтона, похоже, не скрещивались между собой на протяжении 5 млн лет – и это несмотря на то, что расстояние, разделявшее эти популяции, составляло всего 10 км и соответствовало ширине ущелья, по которому перемещался ледник.

Как свидетельствуют геологические данные, за время особенно сильного потепления, происходившего 3–5 млн лет назад, Западно-Антарктический ледяной щит разрушался неоднократно. И когда океан проникал вглубь континента, ногохвостки, возможно, свободно перемещались по воде вдоль горной цепи. Они вполне могли пересекать десятикилометровую водную преграду и спариваться после этого с генетически отличающимися от них сородичами. Но популяции Antarctophorus этого не делали. Как показывают результаты генетического анализа, проведенного в лаборатории Хогга, сообщества Antarctophorus из окрестностей ледника Шеклтона не скрещивались с другой популяцией этих существ, обитающей в 160 км к северу, по меньшей мере 8 млн лет. Эти данные заставляют предполагать, что во времена сильного потепления, когда разрушился Западно-Антарктический ледяной щит, на Трансантарктических горах сохранялось достаточно много льда, чтобы препятствовать далеким перемещениям животных.

Еще сильнее поразили ученых результаты генетического изучения Tullbergia mediantarctica из окрестностей ледника Шеклтона: генетические последовательности у организмов из всех четырех мест оказались практически идентичными. «Похоже на то, что все они просто-напросто клоны», — говорит Адамс. А это может означать, что все эти животные – потомки одной-единственной пары особей, никогда не скрещивавшиеся с представителями других популяций.

Жизнь между молотом и наковальней

Как Tullbergia mediantarctica удалось много миллионов лет существовать в ледовом плену Антарктиды и пережить здесь по меньшей мере 30 ледниковых периодов, не имея возможности перемещаться на значительные расстояния и спариваться с другими популяциями сородичей? Эта загадка становится еще более интересной если учесть, что все это время крошечные животные по сути дела были вынуждены ютиться на узкой полоске земли между смертельно опасным льдом и смертельно опасной коркой ядовитых солей.

Когда в 2018 г. Хогг и Адамс облетали на вертолете ледник Шеклтона, на глаза им часто попадалась едва заметные тонкие линии, тянувшиеся по обращенным к нему сторонам гор: примерно в двух сотнях метров над поверхностью льда цвет скал менялся – ниже этих линий он был светлее, а выше темнее. Эти линии представляют собой своего рода отметины, показывающие, какой высоты достигал уровень льда во время последнего ледникового периода, — результат тончайших различий в процессах окисления минералов на воздухе и под ледяным покровом.

Нетрудно представить себе, как по мере утолщения ледников животные были вынуждены перемещаться вверх по горным склонам, чтобы не попасть в ледяной плен. Но эта картина грешит одной нестыковкой: верховья гор насыщены ядовитыми химическими соединениями. Если перевернуть какой-нибудь камень выше «демаркационной линии» в окрестностях ледника Шеклтона или в какой-либо иной части Трансантарктических гор, почва под ним, скорее всего, будет покрыта беловатой коркой солей. «Это плохая соль. Никакого сравнения с целебной гималайской солью, – скептически замечает Адамс. – И не вздумайте пробовать эту дрянь на вкус — обожжете язык!»

Соль богата нитратами, токсичными для большинства живых существ. В большинстве частей света нитраты, выпадающие на землю с дождями, не накапливаются в почве, так как вымываются оттуда обильной дождевой водой. Но в таких засушливых местах, как Трансантарктические горы, они копятся тысячелетиями, и в конце концов их концентрация достигает здесь токсичного уровня. Кроме того, в высокогорьях накапливаются перхлораты – соединения хлорной кислоты, используемые сегодня в качестве дезинфицирующих средств и окислителей твердого ракетного топлива. Перхлораты вызывают тяжелое отравление и гибель самых разных животных.

Похоже, ногохвостки Tullbergia mediantarctica ютились на узеньких пригодных для жизни полосках земли шириной всего в несколько метров. Таким образом, пытаясь спастись от подступающих ледников, ногохвостки и прочая мелкая живность долгие тысячелетия были вынуждены существовать на узеньких полосках суши между «молотом» льда и «наковальней» ядовитых солей: если бы животные оставались на месте, они были бы погребены под слоем льда, а подъем вверх по горным склонам обернулся бы для них смертельным солевым отравлением. Вот почему Хогг и Адамс смогли обнаружить ногохвосток в горах только ниже «демаркационной линии». Впрочем, в разгар последнего ледникового периода эти места покрывал слой льда толщиной не менее 100 м, а потому на протяжении десятков тысячелетий они были совершенно непригодны для жизни столь сложно устроенных организмов, как Tullbergia mediantarctica. Где же скрывались эти существа?

Заново переписанная история

Гряда Трансантарктических гор берет начало примерно в 700 км к северо-западу от ледника Шеклтона и на протяжении многих сотен километров тянется вдоль западной береговой линии континента. Здесь, неподалеку от побережья моря Росса, находится одно из самых засушливых мест нашей планеты – практически лишенные льда и снега Сухие долины Мак-Мердо. Впрочем, в некоторых из них встречаются небольшие покрытые льдом озера, заполняемые летом талой водой. Глубина этих озер не превышает нескольких метров, но на некоторых высоких скалах, окружающих долины, имеются характерные отметины, оставленные древними песком и галькой. Они свидетельствуют о том, что в далеком прошлом некоторые из этих долин были заполнены на глубину в сотни метров водой, бурлящими потоками сбегавшей с окрестных гор. Эта картина, однако, далека от совершенства: обращенные к морю края сухих долин лишены каких-либо барьеров, которые могли бы удержать такую массу воды.

Ученые, однако, предполагают, что во время предыдущего ледникового периода Западно-Антарктический ледяной щит располагался на несколько сотен километров севернее по сравнению с его современным положением и преграждал выход воды из долин в море, что и сделало возможным образование крупных озер. Глубина одного из них, ледникового озера Уошберн, достигала 300 м.

В 1990-х гг. геолог из Университета Мэна Бренда Холл (Brenda Hall) проводила раскопки осадочных пород на высоких горных склонах, окружающих долину озера Уошберн, и собрала промерзшие образцы некогда росших здесь водорослевых сообществ. С помощью радиоуглеродного метода она датировала возраст водорослей, а, следовательно, и озера, в 13–23 тыс. лет, что приблизительно соответствует самому разгару последнего ледникового периода. По словам Холл, этот факт породил множество споров — ведь он означал, что ледники в то время таяли интенсивнее, чем в наши дни.

Поскольку климат тогда был холоднее, дать вразумительное объяснение этому обстоятельству ученые пока не могут. Согласно одной из теорий, окружающие Антарктиду моря в то время были покрыты льдом в большей степени, чем сегодня, что сокращало испарение воды и образование дождевых облаков. В результате снегопадов было меньше, а солнечного света, согревавшего темные склоны гор, больше. Это и усиливало таяние снега на высоких горных склонах, что, возможно, имело место на всем протяжении горной гряды, в том числе и в тех местах, где были найдены представители вида Tullbergia mediantarctica.

С этим явлением тесно связан феномен, называемый современными учеными «парниковый эффект в твердых телах». Большая часть падающего на ледник солнечного света отражается его снежной поверхностью. Но в Трансантарктических горах, где сильные сухие ветры способствуют испарению снега и льда, поверхность ледников нередко сплошь состоит из толстого относительно прозрачного льда. Солнечный свет может проникать в толщу этого льда на глубину в 1 м, согревая его и заставляя таять «изнутри». Гляциолог из Портлендского государственного университета Эндрю Фаунтин (Andrew Fountain) обнаружил, что этот процесс может происходить при темпера- туре воздуха до –10° C. Холл собственными глазами наблюдала это явление на высоких склонах Трансантарктических гор в 200 км к югу от ледника Шеклтона.

Для Хогга и Адамса все эти факты имеют огромное значение: они помогают объяснить, каким образом ногохвосткам, а также мелким червям, клещам и прочим животным удавалось переживать рядом с ледниками (например, Шеклтона) многочисленные ледниковые периоды. Вдоль кромки такой глыбы льда могла располагаться узкая, шириной всего в несколько метров, пригодная для жизни полоска земли, где время от времени скудные талые воды вымывали из почвы ядовитые соли, а также обеспечивали животных необходимой влагой. По мере наступления ледникового периода, когда лед медленно полз вверх по горным склонам, ногохвостки также перемещались вверх (со скоростью, возможно, не более 1 м в год), наталкиваясь по пути на пригодные для жизни полоски земли и на некоторое время задерживаясь на них.

Эти предположения звучат вполне правдоподобно, но требуют существенной доработки. Прежде всего Хоггу и Адамсу необходимо более строго привязать полученные генетические данные к хронологии таяния льда и разрушения антарктических ледников. Кроме того, нужно установить, прослеживается ли такая же закономерность для других видов животных. В настоящее время Хогг и Адамс и их сотрудники пытаются секвенировать ДНК того же самого гена цитохром C-оксидазы одного из видов клещей и одного из представителей круглых червей (нематод), найденных рядом с ледником Шеклтона и в других местах южной части Трансантарктических гор. Ученые надеются, что генетические последовательности помогут выяснить, как долго обитают здесь эти животные, как они перемещались по континенту в далеком прошлом и как им удалось сохраниться до наших дней.

Сейчас ясно одно: некоторые виды животных с успехом выживали на узеньких полосках земли по краям ледников. Когда ледники отступали, эти существа осваивали новые местообитания на ближайших горах. Но с наступлением следующего ледникового периода большинство популяций вымирали. «Шрамы», нанесенные этими жестокими превратностями судьбы, остались в ДНК Tullbergia mediantarctica. Тот факт, что все особи этого вида, обитающие в окрестностях ледника Шеклтона, обладают практически идентичными последовательностями генов, наводит на мысль, что в какой-то доисторический момент времени выжить удалось всего-навсего двум его представителям. А все его современные представители — далекие потомки этих двух везучих прародителей, которые, возможно, были перенесены бурей на подходящий для жизни клочок земли размером с баскетбольную площадку. «Вид Tullbergia mediantarctica фактически стоял на грани вымирания», — говорит Адамс.

Разумеется, из Антарктиды исчезли огромные сообщества растений и животных – отчасти во времена массовых вымираний видов, которые происходили на всем протяжении земной истории. Помогут ли ногохвосткам Tullbergia mediantarctica восстановиться современные потепление и увлажнение климата в Антарктиде? В январе 2020 г. Адамс вновь наведался в Сухие долины Мак-Мердо. Уровень воды в местных озерах повышается, почва становится более влажной, растет количество червей-нематод и прочей мелкой живности, обитающей в почве. Но число животных, которым удалось пережить по-настоящему холодные, засушливые и суровые времена, «уменьшается, а области их распространения сокращаются», — сетует Адамс. Возможно, этих старожилов вытесняют из Антарктиды пришельцы, более приспособленные к изменившимся условиям среды.

Ожидает ли такая же участь и Tullbergia me- diantarctica? «С учетом героического прошлого этих существ мне кажется, что с ними все будет в порядке, – говорит Адамс. — Но только в том случае, если им не придется бороться за существование с инвазивными видами».