Исследование меняет наше представление о тумане: теперь это не стерильный туман, а временная водная среда обитания
Что, если туман — это не просто воздух с каплями воды, а живая экосистема?
Этот вопрос не давал покоя исследовательнице облаков Ти Тхуонг Тхуонг Као. Будучи аспиранткой Аризонского государственного университета (АГУ), она следовала за своим любопытством, которое водило её то к микробиологам и химикам, то к отбору проб тумана перед восходом солнца в Пенсильвании и многочасовым изучениям образцов под лабораторным микроскопом. И она нашла свой ответ.
Её исследовательская группа из АГУ обнаружила, что бактерии, плавающие в крошечных капельках тумана, живут, растут и — что весьма полезно — разлагают загрязняющие вещества прямо в воздухе.
Исследование, опубликованное в журнале mBio, меняет наше представление о тумане. Это не стерильный туман и не море микробов в подвешенном состоянии. Это временная водная среда обитания для маленьких друзей, которые очищают воздух, которым мы дышим.
Жизнь в тумане
Учёные уже давно знают, что бактерии парят в воздухе и облаках. Однако, чем они там занимаются, по-прежнему остаётся загадкой — особенно в тумане.
«Знания о том, какие виды бактерий присутствуют в тумане — явлении, по сути напоминающем облака на уровне земли, — весьма ограничены», — говорит Цао, ведущий автор статьи.
Во время работы над проектом Цао была аспиранткой Школы молекулярных наук, а после его завершения защитила диссертацию. Сейчас она занимает должность постдокторанта в Технологическом университете Вирджинии.
Она сосредоточилась на двух вопросах: какие бактерии присутствуют в тумане и ведут ли они активную жизнедеятельность, в том числе размножение, внутри этих капель?
«Если они растут, то капли являются их средой обитания. Это изменяет подход к изучению этого явления», — говорит Ферран Гарсия-Пичел, соавтор и директор Центра биодизайна фундаментальной и прикладной микробиомики Аризонского государственного университета.
Что такое капля?
Капля — это крошечная частица воды, примерно от одной десятой до половины ширины человеческого волоса, которая недостаточно тяжелая, чтобы упасть. Она образуется, когда молекулы воды прилипают к какой-либо частице. Иногда этой частицей является микроорганизм, переносимый ветром.
Команда обнаружила, что в среднем менее 1% капель тумана содержат бактерии. Но в сумме в тумане существует поразительное количество живых организмов.
«Если взять все капли вместе, концентрация бактерий будет такая же, как в океане», — говорит Гарсия-Пичель, который также является профессором-регентом в Школе наук о жизни Аризонского государственного университета. В количестве тумана, которое уместится в напёрстке, найдётся около 10 миллионов бактерий.
Особое внимание учёных привлекла одна группа бактерий: метилобактерии. В образцах сухого воздуха, отобранных до появления тумана, содержалось меньше этих бактерий, чем в образцах, взятых сразу после. Это позволяет предположить, что туман на короткое время способствует росту их численности.
Метилобактерии питаются простыми углеродными соединениями, в число которых входят вредные химические вещества, такие как формальдегид. Формальдегид — распространённый загрязнитель, который увеличивает количество озона в смоге и наносит вред здоровью человека.
Образцы тумана, собранные Цао в полевых условиях и в ходе лабораторных экспериментов, показали, что именно делают эти бактерии внутри капель тумана.
«Мы наблюдали за ними под микроскопом и убедились, что да, бактерии увеличиваются в размерах и делятся, то есть происходит их рост», — говорит Цао. «Мы также обнаружили, что они используют формальдегид в качестве пищи для поддержания своего роста».
На самом деле бактерии так быстро расщепляли такие большие количества формальдегида, что исследователи заподозрили: они не просто его поедают. В высоких концентрациях это химическое вещество токсично для бактерий, поэтому они расщепляют его до углекислого газа, удерживая его уровень на малых значениях. Это оказывается выгодным как для микробов, так и для людей.
Ловля тумана
Однако изучать туман нелегко. Чтобы узнать, как меняется состав бактерий в воздухе в течение нескольких часов, учёные пытаются взять пробы одного и того же воздуха до, во время и после появления тумана — но ветер часто всё перемешивает.
Команда решила эту проблему, изучив особый вид тумана, образующийся в безветренной погоде, который называется радиационным туманом. Когда ночью остывает земля, остывает и воздух над ней, и водяной пар конденсируется в туман у самой поверхности земли. Обычно это происходит в тихих и влажных долинах.
Туманное будущее
Туман играет более важную роль, чем мы думали. Это настоящая водная среда обитания, которая даёт микробам, поглощающим токсины, возможность очищать наш воздух. Это открытие может оказать несколько видов влияния на нашу жизнь.
Например, некоторые сообщества рассматривают возможность сбора тумана в качестве источника питьевой воды. Его часто рекламируют как чистый и безопасный источник. Но это исследование показывает, что его следует очищать так же, как и другие источники воды.
Исследователи говорят, что необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, является ли роль тумана в очистке воздуха более полезной для людей, чем его потенциал в качестве источника воды.
«Если мы собираем туман, мы убираем и наших маленьких друзей из воздуха», — говорит Гарсия-Пичел. «Мы не знаем, будет ли это иметь большое значение или нет, но мы должны это учитывать».
Эти выводы могут также повлиять на то, как учёные понимают и прогнозируют погоду и климат. В рамках отдельного проекта Цао изучала бактерии как участников химических реакций в облаках.
«Возможно, стоит учесть, что помимо стимулирования химических реакций, внутри этих капель также размножаются бактерии. Это может изменить картину — оказывается, что они не просто выступают в роли катализатора, но и проявляют там иную активность. Это может изменить подход к моделированию всего, что мы делали до сих пор», — говорит она.
«Исследование биологической активности в облаках — относительно новое направление, поэтому нам ещё многое непонятно», — добавляет Пьер Херкес, соавтор статьи и профессор Школы молекулярных наук. «Например, ночью в атмосфере не происходит столько химических реакций. Химические процессы в основном зависят от солнца и света. Но если бактерии продолжают свою деятельность даже ночью, они могут играть важную роль».
По-настоящему поразительно то, как много мы до сих пор не знаем об этих миниатюрных мирах в тумане и облаках. Существуют ли в тумане разные бактерии в зависимости от места его образования? Чем могут питаться эти другие бактерии? И как они влияют на качество нашего воздуха?