Życie w chmurach
Przez lata sądzono, że wysoko w górze nie ma miejsca dla mikrobiologów. Wszystko zmieniło się jednak na przełomie XX i XXI w., kiedy to liczne ekipy naukowe z całego świata postanowiły skierować swoje mikroskopy w chmury. Jednym z pierwszych badaczy, który przyjrzał się sprawie z bliska, był Ruprecht Jaenicke z Johannes Gutenberg-Universität Mainz w Niemczech. Pobrał on tysiące próbek powietrza znad miast, gór i mórz i odkrył, że 25% cząstek, które się w nim znajdują, jest pochodzenia biologicznego (fragmenty komórek, bakterie, grzyby, glony, pyłki roślinne...), a ich dokładny skład zależy od sezonu, pogody, miejsca pobrania próbki i aktywności człowieka.
Podobne badania przeprowadziła Anne-Marie Delort (Institut de Chimie de Clermont-Ferrand we Francji), która skoncentrowała swoje wysiłki na bogatych w wodę i składniki mineralne chmurach, sądząc, że prawdopodobieństwo znalezienia tam żywych organizmów jest większe niż w otaczającym je powietrzu. Wraz ze swoją ekipą badaczka zainstalowała na szczycie górskim Puy-de-Dôme (1465 m n.p.m.) „odkurzacz chmur”, zdolny do filtrowania ewentualnych mikroorganizmów z pobranych próbek. Rezultat badań przerósł jej najśmielsze oczekiwania. Znaleziono od 10 tys. do 100 tys. mikroorganizmów na 1 ml próbki. Chociaż jest to 1000 razy mniej niż w wodzie morskiej, to przecież tyle samo znajduje się w wodzie z kranu. Co więcej, Delort zaobserwowała pod mikroskopem ok. 700 różnych szczepów mikrobiologicznych podobnych do tych, które znajdują się na ziemi, w morzu czy na roślinach. Wszystko to brzmi bardzo ciekawie, ale skąd wiadomo, że organizmy te naprawdę żyją i funkcjonują w chmurach? Przecież temperatura w atmosferze może spaść do –50°C, pH potrafi zmieniać się z neutralnego na kwaśne, a silne promieniowanie i obecność wolnych rodników niszczą białka i DNA w ułamku sekundy. Co prawda Anne-Marie Delort wyhodowała kultury znalezionych mikroorganizmów w warunkach laboratoryjnych, ale trudno eksperyment ten nazwać pełnym sukcesem. Nie dość, że udało się jej to z zaledwie 1% wyizolowanych szczepów, to fakt, że ożyły one w laboratorium, nie oznaczał jeszcze, że w chmurach też kwitnie życie. Mikroby bowiem potrafią w niesprzyjających warunkach przejść w stan uśpienia i podjąć na nowo funkcje życiowe po ich ustaniu.
Z pomocą przyszła Jessica Green z University of Oregon w USA, która w 2016 r. badała powietrze nad Mount Bachelor (2764 m n.p.m.). Badaczka skupiła się na składzie genetycznym znajdującej się tam materii organicznej. Ku jej wielkiemu zaskoczeniu znalazła nie tylko fragmenty DNA, ale i RNA. Związki te powstają tylko w komórkach organizmów żywych. Ostatecznie potwierdziła zatem, że życie w atmosferze jest jak najbardziej możliwe, i przypieczętowała badania swoich poprzedników.
Podróż w przestworzach
Jak bakterie, grzyby i glony znalazły się w atmosferze? Czy wystarczył podmuch wiatru lub uderzenie kropli deszczu o ziemię, by wznieść je w przestworza? Prawdopodobnie nie, ale liczne modele oraz filmy zrealizowane w zwolnionym tempie pokazały, że chociażby tzw. prądy wstępujące (pionowe ruchy powietrza) są już do tego wystarczające. Model Susannah Burrows z Pacific Northwest National Laboratory w USA wykazał, że średnio każdy metr kwadratowy ziemi opuszcza na sekundę 250 mikrobów, by stać się mieszkańcami atmosfery. Najmniejszą emisję zanotowano na terytoriach pustynnych, natomiast najwyższą – na polach w czasie zbiorów. Jeżeli dodatkowo w powietrzu panuje duża wilgotność, woda kondensuje się wokół mikrobów i wraz z nimi tworzy chmury. Tylko deszcz lub śnieg mogą sprowadzić tych małych podróżników z powrotem na ziemię. Zanim jednak to nastąpi, mogą oni zwiedzić cały świat. Według modelu Susannah Burrows mikroby potrafią spędzić w atmosferze od 2 do 188 dni (średnio: 10). Co więcej, nie wszystkie muszą przebywać w chmurach, aby przeżyć, o czym przekonuje David Smith z NASA, który od kilku lat bada skład mikrobiologiczny atmosfery, pobierając próbki za pomocą samolotów i balonów. Nie dość, że mikroby są obecne w całej troposferze, to zaobserwowano je także w stratosferze (i to nawet na wysokości 30 tys. m n.p.m.!), gdzie bakterie muszą zmagać się z suchym i rozrzedzonym powietrzem oraz destrukcyjnym promieniowaniem. Im wyżej jednak się wzniosą, tym szansa na wycieczkę w odległe zakątki naszego globu jest większa. Kilka lat temu podczas pobierania próbek arktycznego powietrza Anne-Marie Delort zidentyfikowała bakterie typowe dla regionów tropikalnych. Skoro jednak pył wulkaniczny wielkości bakterii może obiec całą kulę ziemską, to dlaczego nie one same? I tutaj nasuwa się kolejne ważne pytanie: czy bakterie, grzyby oraz wirusy, odpowiedzialne za różne choroby, mogą przemieszczać się w taki sam sposób po naszym globie?
Epidemia wisi w powietrzu
Pierwsze niepokojące sygnały pojawiły się już w 1999 r., kiedy to Gene Shinn z U.S. Geological Survey w St. Petersburg na Florydzie powiązał pojawienie się choroby koralowców na Karaibach ze sztormami, które naniosły na te wyspy piasek prosto z… Sahary, a wraz z nim Aspergillus sydowii. Jest to grzyb powszechnie występujący w glebach afrykańskich, który nie jest jednak w stanie przeżyć długo w wodzie morskiej. Stąd przypuszczenie, że morderca koralowców przybył do Ameryki drogą powietrzną, pokonując przy tym aż 10 tys. km! Podobne zjawisko mogło być przyczyną rozpowszechnienia się w latach 60. XX w. choroby Kawasakiego, która do dziś każdego roku atakuje tysiące dzieci w Japoni i USA. Za jej występowanie odpowiedzialny jest grzyb z rodziny Candida, który pojawił się początkowo na obszarach rolniczych w Chinach, a poźniej przedostał się drogą powietrzną do Japonii i dalej, na zachodnie wybrzeża USA. Z kolei w 2013 r. badacze z Uniwersytetu Pekińskiego znaleźli w powietrzu nad swoim miastem Streptococcus pneumoniae, czyli bakterię odpowiedzialną za zapalenie płuc, a wraz z nią wywołujący alergię grzyb Aspergillus fumigatus. W wyjątkowo zanieczyszczonych próbkach ich stężenie wzrastało kilkukrotnie. Wiemy już, że sadza i pył znad zanieczyszczonych obszarów Chin mogą z łatwością wędrować w atmosferze, wpływając na klimat na całym globie. Prawdopodobnie występujące tam bakterie i grzyby także. Brakuje jednak odpowiednich badań, by jasno określić, czy mikroby znad Pekinu mogą być realnym zagrożeniem dla reszty świata.
Naukowcy zastanawiają się, czy wirusy także mogą podróżować w powietrzu na duże odległości i zarażać populację na całym świecie. Ruprecht Jaenicke uważa, że tak. Ponadto wielu badaczy twierdzi, że wirus H1N1 właśnie taką drogą przedostał się z Chin do Tajwanu, zapoczątkowując epidemię grypy w latach 2009–2010. Naukowcy bowiem byli w stanie powiązać większość epizodów epidemii z rynkiem drobiu lub migracyjnymi trasami ptaków, ale nie potrafili wyjaśnić jednego z pierwszych etapów epidemii: przedostania się wirusa z Chin kontynentalnych na wyspę Tajwan. Stąd pomysł, że wirus ten pojawił się na wyspie właśnie za sprawą ruchów powietrza. Pozostaje wykazać, czy po zastosowaniu tego środka transportu wirusy nadal są zakaźne i czy ich ilość wystarcza do zainfekowania pojedynczego osobnika.
Architekci chmur
Mikroby wędrujące w powietrzu nie wywołują jedynie chorób. Niektóre z nich przyczyniają się do powstawania obłoków, podczas gdy inne – opadów śniegu. W 2015 r. podczas badania chmur znad fińskich wzgórz Barbara Nozière z Université de Lyon zauważyła, że za ich tworzenie odpowiedzialne są surfaktanty produkowane przez różnego rodzaju mikroorganizmy. Cząsteczki te są zbudowane z części hydrofilowej (główki) i hydrofobowej (ogonka). Molekuły otaczają krople pary wodnej, instalując główkę w płynie, a ogonek w powietrzu. Dzięki temu surfaktanty zmniejszają napięcie powierzchniowe wody i sprzyjają jej kondensacji, a zatem powstawaniu chmur. Do podobnych wniosków doszła Anne-Marie Delort, która stwierdziła, że aż 41% mikroorganizmów znalezionych w próbkach z Puy-de-Dôme produkuje surfaktanty. Bardzo ciekawe właściwości ma także występująca niemalże na całym świecie bakteria Pseudomonas syringae, która znana jest głównie jako bardzo groźny patogen roślin. Posiada ona na swojej powierzchni białka sprzyjające krystalizacji molekuł wody, a więc powodujące opady śniegu. Aby śnieg zaczął sypać, konieczne jest tworzenie się kryształków lodu w chmurach. Jednak w temperaturach od 0 do –40°C czysta woda nie zamarza „spontanicznie”. Potrzebuje do tego tzw. zarodków krystalizacji. Mogą one być pochodzenia mineralnego, jak różnego rodzaju pyły, lub biologicznego, jak właśnie białka wytworzone przez bakterie.
Po co mikrobom zdolność do tworzenia chmur? I dlaczego bakteria, która żeruje na roślinach, potrafi sprawić, że spadnie śnieg? Według Cindy Morris z francuskiego Institut National de la Recherche Agronomique w Awinionie bakterie czy grzyby potrzebują chmur do przeżycia. W zasadzie mikroorganizmy te nie są stworzone do życia w atmosferze (ze względu na chociażby niskie temperatury). Ponieważ są zbyt lekkie, aby spaść na ziemię przyciągane siłami grawitacji, to tylko deszcz lub śnieg mogą im pomóc wrócić do ich naturalnego środowiska. Ot, cały sekret ich zaangażowania w kształtowanie pogody!
Mimo wysiłków naukowców z całego świata mieszkańcy chmur skrywają przed nami zapewne jeszcze wiele sekretów. Mikrobiologia atmosfery to stosunkowo młoda, lecz bardzo obiecująca dziedzina nauki. Warto więc kontynuować badania, by poznać lepiej świat maleńkich organizmów, które żyją nad naszymi głowami. Być może dzięki nim lepiej zrozumiemy niektóre zjawiska pogodowe lub nauczymy się, jak zapobiegać epidemiom.
***
Leki z nieba
Podczas gdy większość badaczy martwi się o rozpowszechnianie się chorób drogą powietrzną, inni twierdzą, że mikroby zamieszkujące atmosferę mogą być źródłem leków. Chodzi tutaj o promieniowce (Actinobacteria), które produkują takie antybiotyki jak streptomycyna czy daktynomycyna. Ponieważ bakterie te występują powszechnie w ziemi, wielu naukowców pracuje nad metodami pozyskiwania z niej leków. Tymczasem badacze z Idaho State University odkryli w 2015 r., że powietrze może zawierać kilka razy więcej tych cennych bakterii niż gleba! Twierdzą przy tym, że ekstrakcja leków z atmosfery będzie łatwiejsza i wydajniejsza.
***
Podniebne podniebienia
Chociaż bakterie i grzyby to proste organizmy, to ich gusta kulinarne mogą być bardzo dziwne. Uzbrojona w odpowiednie pigmenty Acidisphaera rubrifaciens to bakteria, która wykorzystuje energię słoneczną do rozkładu prostych molekuł, takich jak kwasy organiczne. Jest zatem świetnie zaadaptowana do życia w chmurach o niskim pH. Tymczasem Rhodotorula to drożdżak, który przepada za azotanami. Nie jest zatem zbyt wybrednym mikrobem, gdyż chmury zawierają sporą ilość tych związków.
***
Bakteria na stoku narciarskim
Zdolność Pseudomonas syringae do tworzenia śniegu jest często wykorzystana do sztucznego naśnieżania stoków narciarskich. Przy czym do maszyn dodaje się jedynie białka produkowane przez te bakterie lub martwe mikroby, które nawet po śmierci zachowują swoje supermoce. Chociaż mogłoby się wydawać, że zwiększenie ich ilości zwiększy także wydajność produkcji śniegu, to jest zupełnie na odwrót. Liczne badania wykazały, że zbyt duża ilość białek prowadzi do utworzenia ogromnej ilości zarodków krystalizacji, które nie mogą urosnąć do odpowiedniej wielkości i spaść na ziemię.
***
Niezniszczalne mikroby
Aby przeżyć przy ogromnych dawkach promieniowania, mikroorganizmy żyjące w atmosferze rozwinęły różne strategie. Rhodotorula to powszechnie występujący w atmosferze drożdżak posiadający pomarańczowy pigment, który blokuje promieniowanie UV i chroni mikroba przed szkodliwym wpływem ultrafioletu. Deinococcus radiodurans z kolei to bakteria potrafiąca przeżyć przy dawkach promieniowania 1000 razy większych niż te, które zabijają człowieka. Jej sekretem jest bardzo wydajny system naprawy uszkodzeń DNA.
***
Twardziel znad Amazonii
Rinodina milvina jest jednym z najbardziej efektywnych mikrobów zdolnych do kondensowania pary wodnej i co za tym idzie – tworzenia chmur. Badania z 2015 r. wykazały, że występuje powszechnie w powietrzu nad lasami deszczowymi Amazonii. Ponadto potrafi przeżyć w środowisku ubogim w wodę i składniki odżywcze, a także przetrwać ciągłe zmiany temperatury oraz silne promieniowanie UV. Porost ten to niewątpliwie jeden z największych twardzieli wśród mikroorganizmów zamieszkujących atmosferę.