Ускоренное исчезновение вечной мерзлоты может не только нарушить глобальный климатический баланс, но и увеличить риск высвобождения древних патогенных микроорганизмов, с которыми нашему организму еще не приходилось сталкиваться. Эти микроорганизмы, метко прозванные "зомби-вирусами", могут вызвать новые пандемии потенциально катастрофического масштаба. Какова вероятность того, что это произойдет? Готовы ли мы к подобным катастрофам?
Несмотря на глобальные усилия по сокращению выбросов парниковых газов, глобальное потепление растет все быстрее, что грозит разрушением систем Земли. Среди этих систем вечная мерзлота (покрывающая 20 % поверхности планеты), вероятно, является одной из наиболее угрожаемых (в краткосрочной и среднесрочной перспективе), поскольку средняя температура в полярных регионах растет быстрее, чем в умеренных.
Таяние вечной мерзлоты напрямую связано с повышением температуры грунта. В период с 2007 по 2016 год температура вечной мерзлоты в Арктике и Антарктике увеличилась почти на 2 °C с конца 1970-х годов. Климатические модели предсказывают постепенную потерю от 0,3 до 3,4 миллиона км² на каждый градус повышения температуры воздуха. Это будет соответствовать среднегодовому снижению от 10 до 40% на градус Цельсия.
К 2019 году южные границы вечной мерзлоты в Арктике уже отступили на 30-80 километров. И даже если потепление удастся удержать на уровне ниже 2 °C по сравнению со средними показателями доиндустриальной эпохи, к 2100 году будет утрачено почти 25 % вечной мерзлоты у поверхности (на глубине 3-4 метров). Наиболее заметные прямые последствия будут включать эрозию скал и разрушение инфраструктуры, такой как дороги и жилье.
Однако долгосрочные последствия будут гораздо более серьезными, не в последнюю очередь из-за высвобождения метана и других парниковых газов, которые были заперты там в течение тысяч лет. Согласно одному из исследований, в вечной мерзлоте может содержаться в два раза больше углерода, чем сейчас содержится в атмосфере. Его высвобождение в результате таяния вечной мерзлоты приведет к возникновению обратной связи, которая еще больше усилит потепление и потерю замерзших поверхностей.
С другой стороны, таяние вечной мерзлоты может спровоцировать распространение древних микроорганизмов (бактерий, архей, грибов, вирусов и т. д.), которые были изолированы от поверхности Земли в течение почти двух миллионов лет. Возвращение жидкой воды и температуры выше точки замерзания может вызвать метаболическую реактивацию организмов, сохранившихся во льду, - отсюда и название "зомби-вирусы".
По оценкам исследователей, ежегодно при таянии льда может высвобождаться около четырех секстиллионов микроорганизмов. Вырвавшись на свободу, эти патогены могут вызвать пандемии такого масштаба, какого мы, возможно, никогда не видели. Более того, последствия могут сказаться не только на здоровье людей, но и на экосистемах. "Наши результаты позволяют предположить, что эта непредсказуемая угроза, до сих пор относившаяся к области научной фантастики, может стать мощным фактором экологических изменений", - объясняют Кори Дж. А. Брэдшоу и Жан Строна из Университета Флиндерса и Университета Хельсинки соответственно в статье, опубликованной в журнале The Conversation.
В древних бактериях обнаружены гены устойчивости к антибиотикам
Оттаивание или выход на открытый воздух глубоких слоев вечной мерзлоты может привести к появлению неизвестных пока науке патогенов в почвах, относящихся к периоду от голоцена до позднего плейстоцена (около 120 000 лет назад). Многочисленные исследования показали наличие в древней вечной мерзлоте широкого спектра бактерий, включая значительную часть метаболически активных. Обнаруженные популяции включают штаммы, родственные современным патогенам, таким как Acinetobacter, Bacillus anthracis и Brucella.
Считается, что недавние вспышки эпидемий сибирской язвы были вызваны штаммами Bacillus anthracis с кладбищ и старых туш животных, сохранившихся в арктической вечной мерзлоте. Первые эпидемии сибирской язвы, поразившие северных оленей в этом регионе, относятся к 1848 году. Люди, в свою очередь, заражались, употребляя в пищу зараженное мясо. Считается, что исключительно жаркое лето 2016 года вновь вывело бактерии из вечной мерзлоты, что привело к гибели 2 350 оленей и заражению десятков людей в том же году.
Однако другие исследователи опровергают эту гипотезу, утверждая, что недавние эпидемии сибирской язвы не обязательно связаны с таянием вечной мерзлоты, а скорее с падением уровня вакцинации местного населения и перенаселенностью оленей. С другой стороны, даже если эпидемии повлияют на местное население, маловероятно, что они вызовут пандемию.
С другой стороны, исследование показало наличие генов устойчивости к современным антибиотикам у бактерий, взятых из арктической вечной мерзлоты. К таким антибиотикам относятся аминогликозиды, β-лактамы, тетрациклины и амикацин. Это говорит о том, что гены устойчивости к антибиотикам существовали и были разнообразны еще до начала использования человеком противомикробных препаратов. По мнению авторов исследования, такое раннее разнообразие могло способствовать эволюции природных резервуаров генов устойчивости, поскольку эти гены могут легко передаваться от одной бактерии к другой.
Однако современные биомы уже в значительной степени колонизированы множеством устойчивых к антибиотикам организмов. "Поэтому маловероятно, что устойчивые к противомикробным препаратам бактерии, попавшие в вечную мерзлоту, внесут существенный вклад в и без того высокое обилие генов устойчивости к противомикробным препаратам в нашей среде", - говорит Пол Хантер, профессор медицины из Университета Восточной Англии, в другой статье в The Conversation.
С другой стороны, исследование устойчивости к антибиотикам бактерий, собранных из арктической вечной мерзлоты, показывает, что, хотя гены присутствуют в изобилии, они обеспечивают более низкий уровень устойчивости, чем у более современных штаммов бактерий. Исследователи также считают, что возможную эпидемию, вызванную этими бактериями, будет относительно легко контролировать с помощью современных антибиотиков, поскольку последние в основном направлены на клеточные органеллы (например, рибосомы) и метаболические пути (например, транскрипцию белков), сохранившиеся в ходе эволюции всех бактериальных фил.
Реальный риск эпидемии "зомби-вируса"
Однако зомби-вирусы могут вывести последствия таяния вечной мерзлоты на новый уровень. Исследователи особенно обеспокоены их высокой способностью адаптироваться и вызывать пандемии. Среди реанимированных вирусов - Pithovirus sibericum, взятый из слоя сибирской вечной мерзлоты возрастом 30 000 лет. Самому последнему реанимированному вирусу 27 000 лет, а самому старому - с экзотическим названием Pandoravirus yedoma - около 48 500 лет. После возрождения эти вирусы проявляли нормальные метаболические функции и были по-прежнему способны к репликации.
Однако в основном это мегавирусы - вирусы, обладающие уникальной способностью заражать только амеб или другие прокариотические организмы, маскируясь под бактерии, которыми они питаются. Это ДНК-вирусы, которые структурно сильно отличаются от тех, что заражают млекопитающих. "Поэтому не похоже, что вирусы, выращенные из образцов вечной мерзлоты, представляют угрозу для здоровья населения", - говорит Хантер. Однако в одном из исследований было высказано предположение о причастности мимивируса Acanthamoeba polyphaga, мегавируса, который обычно заражает амеб, к пневмонии у людей. Однако не доказано, является ли эта способность общей для всех мегавирусов.
С другой стороны, "это не означает, что другие вирусы, которые в настоящее время заморожены в вечной мерзлоте, не могут вызывать заболевания у людей", - сказал Guardian Жан-Мишель Клавери, генетик из Университета Экс-Марселя. На самом деле, таяние вечной мерзлоты может привести к выделению опасных вирусов из зараженных человеческих тел.
Исследуя образцы, взятые из древней сибирской вечной мерзлоты, Клавери и его коллеги обнаружили геномные следы поксвируса (вируса оспы) и герпесвируса (ответственного за герпес). Другие исследователи также обнаружили следы оспы в 300-летней сибирской мумии. Однако последующих исследований, чтобы определить, можно ли реанимировать эти вирусы, не проводилось, вероятно, из соображений безопасности. Убив почти 60 миллионов человек в XVIII веке, оспа является единственной вирусной инфекцией человека, которая была искоренена во всем мире, и ее повторное распространение, особенно в регионах, не имеющих выхода к морю, может привести к катастрофе.
Исследователи также эксгумировали тела людей, умерших от испанского гриппа, сохранившиеся с 1918 года в вечной мерзлоте на Аляске и Шпицбергене (Норвегия). Другие высококонтагиозные вирусы, такие как другие формы гриппа или полиомиелита, также могут сохраниться в древних телах. По словам Марион Коопманс, вирусолога из Медицинского центра Эразма в Роттердаме, "мы не знаем, какие вирусы находятся в вечной мерзлоте, но я думаю, что существует реальный риск того, что там может быть вирус, способный вызвать эпидемию - например, древняя форма полиомиелита. Мы должны допустить, что такое может случиться". Тот факт, что мы, возможно, никогда не контактировали с некоторыми из этих вирусов, также представляет собой значительный риск.
Следует также отметить, что самый непосредственный риск не связан напрямую с таянием вечной мерзлоты. Потеря арктического морского льда и ледников может привести к росту экономической активности в ранее изолированных регионах. Строительство новых инфраструктур и добыча полезных ископаемых могут привести к эрозии оставшейся вечной мерзлоты и высвобождению большого количества патогенов быстрее, чем ожидалось. Поэтому шахтеры и рабочие первыми подвергнутся такому риску.
Наши системы здравоохранения, вероятно, не готовы к такому типу катастроф, и их очевидные недостатки были выявлены во время пандемии COVID-19. Для того чтобы как можно эффективнее предвидеть риски, разрабатываются сети наблюдения для выявления первых случаев заражения зомби-вирусами или другими древними патогенами. Также планируется создать карантинные помещения и обеспечить специализированную медицинскую помощь.
Потенциальный фактор вымирания современных видов
Выход древних патогенов из вечной мерзлоты представляет опасность не только для здоровья населения, но и для современных экосистем, от которых зависит выживание всех живых существ на планете, включая человека. В недавнем исследовании Брэдшоу и Строна изучили этот аспект, смоделировав распространение древнего патогена в современных биологических сообществах. Исследователи оценили влияние этого патогена на разнообразие современных бактерий-хозяев.
В большинстве случаев воскрешенный организм развивался и выживал. Примерно в 3,1 % случаев патоген становился доминирующим в новой среде и, вероятно, приводил к потере разнообразия современных хозяев. В худшем случае инвазия сокращала численность сообщества хозяев на 32 %. Хотя на первый взгляд эти цифры кажутся низкими, следует помнить, что они представляют собой риск, вызванный распространением одного патогена на один тип сообщества хозяев. "Учитывая большое количество древних микробов, попавших в реальный мир, такие эпидемии представляют значительную опасность", - поясняют эксперты.
С другой стороны, недавнее исследование большого набора древних вирусных видов, собранных из ледника, показало, что они отличаются большим разнообразием в периоды глобального потепления. Это позволяет предположить, что на их эволюцию и инфекционный потенциал оказывает глубокое влияние изменение климата. Такая климатическая адаптация также влияет на способность их хозяев выживать или адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, поскольку вирусы присваивают гены своих хозяев, чтобы манипулировать их метаболизмом.
"Мы указываем на еще один потенциальный источник вымирания видов в современную эпоху, который не учитывают даже наши самые пессимистичные модели вымирания", - говорят Брэдшоу и Строна. "Как общество, мы должны понимать риски, чтобы подготовиться к ним", - заключают они.