Тайная электросеть, антибиотик из кипятка и живые дреды острова Кунашир

Экспедиция была организована в рамках и при поддержке проекта Российского научного фонда «Биогенные факторы рудообразования в экстремальных условиях» (№ 24-64-00023), руководимого д.б.н. Д.Г. Заварзиной. Учёные исследовали термальные источники озера Кипящее в кальдере вулкана Головнина, побережья поселка Горячий пляж, экологической тропы «Столбовская», Верхне-Докторские источники, Валентиновские (Северные Третьяковские) источники (дачный посёлок Третьяково), а также источники ручья Кислый и района ГеоТЭС под Северо-Западным полем вулкана Менделеева. В состав Курильского научного отряда вошли сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН (г. Москва) руководитель группы, старший научный сотрудник , к.б.н Сергей Гаврилов и младший научный сотрудник, аспирант Валерия Пихтерева, а также старший научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН) электрохимик, к.х.н. Алексей Клюев.

Чтобы увидеть, какой была наша планета три с половиной миллиарда лет назад, недостаточно изучать древние окаменелости. Нужно найти места, где геологические часы словно замедлили свой ход, сохранив первозданный ландшафт молодой Земли, или наоборот, причудливые сочетания геологических и геохимических условий воссоздали древние экосистемы планеты. Остров Кунашир — не только живописный край, но и местами – действующая модель древней биосферы, симулятор эпохи Архея.

Еще в 1980-х годах выдающийся советский микробиолог, академик Георгий Александрович Заварзин, исследовал Курильские острова в поисках ответа на самый амбициозный вопрос науки: как зародилась жизнь? Именно он разглядел в разнообразии местных горячих источников «окна в прошлое» Земли. Заварзин стал одним из главных вдохновителей создания государственного природного заповедника «Курильский», понимая, что эти минерализованные озера и кипящие термы — бесценное научное достояние, требующее строгой защиты.

Последние теории происхождения жизни все чаще оспаривают гипотезу глубоководных «черных курильщиков» и мелководных морей как её колыбели в пользу идеи о том, что первые организмы появились именно в наземных гидротермальных системах. На Кунашире, на сравнительно небольшой площади в несколько десятков километров, природа собрала уникальный коктейль условий: здесь соседствуют экстремально кислые фумарольные поля вулкана Менделеева, слабощелочные термы Столбовской группы и озёра кальдеры вулкана Головнина. В 1990-м году на Столбовских источниках ученые под руководством академика Г.А. Заварзина в ходе длительной Курильской экспедиции обнаружили микроорганизмы, способные строить свою жизнь на угарном газе и протонах воды — метаболизме, который казался немыслимым для современного кислородного мира, но был нормой на заре существования планеты и, как выяснилось позднее, является типичным для микробов анаэробных («бескислородных») мест обитания современной Земли. Сейчас этот процесс уже удалось «приручить» и использовать на практике – с помощью таких, «карбоксидотрофных», бактерий новозеландская биотехнологическая компания Lanza Tech уже создала производство присадок к авиатопливу из богатых угарным газом выбросов металлургических предприятий, и на полученном «полумикробном» топливе уже совершён пробный полёт самолёта. Но тропинка к этим знаниям была проторена именно от Столбовских источников Кунашира.

С середины 1990-х годов микробиологические исследования гидротерм Курильских островов и Камчатки проводятся на регулярной основе силами Отдела биологии экстремофильных микроорганизмов, созданного учениками Г.А. Заварзина под руководством Елизаветы Александровны Бонч-Осмоловской (участницы Курильской экспедиции 1990 г., ныне чл.-корр. РАН, профессора и заведующей Кафедры микробиологии МГУ). Экспедиции Института микробиологии работали на Кунашире в 1998, 2005, 2011, 2014 и 2023 годах. Этот курильский остров удобен для микробиологов с точки зрения логистики. Кроме того, исследования продолжаются, образуя временной ряд, и в этом также их ценность. В июле 2026 года учёные сфокусировались на удивительном свойстве микрофлоры — способности буквально «подключаться» к планете электрическим током.

В 1911 году британский исследователь Майкл Поттер (увы, не Гарри, хотя доля магии в его истории присутствовала) совершил открытие, опередившее время почти на век. Он заметил, что обычные дрожжи и бактерии в процессе жизнедеятельности способны вырабатывать электричество. Однако коллеги-современники посчитали его доклад фантазией, посоветовав молодому аспиранту «заняться чем-то более разумным». Идею микробного тока закопали в архивах почти на сто лет.

О потенциале «живых батареек» вспомнили только на рубеже XXI века, когда стало окончательно ясно, что микробы, в отличие от человека и животных, способны использовать для дыхания вместо кислорода огромное разнообразие химических веществ - соединения серы, азота, мышьяка, селена, даже радиоактивные соединения урана, а также разнообразные минералы железа и марганца, то есть, твёрдые вещества.

«Электрогенность — это, по сути, способность микроорганизма напрямую обмениваться электронами с твердым веществом. Мы ищем ответ на фундаментальный вопрос: является ли этот процесс редкой, локальной природной аномалией, или перед нами универсальный процесс, который появился в древней биосфере и теперь распространился по всему миру?» — объясняет Сергей Гаврилов.

Искать ответы команда ИНМИ РАН отправилась именно на Кунашир. У Курильских островов есть важное отличие от знаменитых гейзеров и гидротерм Камчатки или Исландии — местные вулканические процессы часто напрямую взаимодействуют с океанскими водами. На Алёхинских источниках кипящие подземные флюиды смешиваются с солёной морской водой. В этой экстремальной химической бане, под боком у действующего вулкана, и бьется пульс «живой электропроводки» планеты.

Представьте себе мир, где не было кислородного дыхания. Мир до того, как крошечные цианобактерии, по выражению академика Г.А. Заварзина, «вывернули атмосферу наизнанку, обогатив её едким, активным кислородом». До этой глобальной экологической катастрофы биосфера Земли была анаэробной — она жила, развивалась и дышала в отсутствии кислорода. На Кунашире этот древний порядок вещей до сих пор работает в режиме реального времени во многих горячих источниках.

Ровно сто лет назад, в 1926 году, в тихих подмосковных болотах Е.В. Рунов выявил и впервые описал биологический процесс восстановления «ржавчины» (оксидов железа), предсказанный ранее великим русским микробиологом С.Н. Виноградским. Под рыжим слоем на болотах всегда лежит черный слой восстановленных минералов железа, преимущественно, магнетита, образованного бактериями. В 1979 году Г.А. Заварзин и В.В. Балашова показали, что бактерии могут использовать минералы железа для дыхания. Введя термин «железное дыхание», ученые описали один из фундаментальных типов микробного метаболизма. Чтобы жить, микроорганизмам нужно избавляться от избытка электронов. Мы с вами сбрасываем их на вдыхаемый кислород, а бактерии, живущие в почвах, осадках и горных породах по всему миру, могут сбрасывать электроны на окружающие их железосодержащие минералы. В вулканических экосистемах минералов железа больше, чем в «обычных», поэтому и мир «железоредукторов» здесь гораздо разнообразнее. Это подтвердил Александр Игоревич Слободкин (ученик Г.А. Заварзина) в своих работах 1990-2000х годов – действительно, железоредукторы оказались распространены в горячих источниках по всему миру, и способны восстанавливать железо гораздо эффективнее и быстрее своих обычных («мезофильных») собратьев. В те же годы две группы американских учёных, под руководством профессоров Дерека Лавли и Кеннета Нилсона, подробно изучили механизм восстановления железа у мезофильных бактерий – обитателей донных отложений рек и озёр Северной Америки – и обнаружили, что они могут генерировать электрический ток, если вместо минералов получают доступ к электродам в устройствах, похожих на обычные бытовые химические батарейки (по-научному, «топливные элементы»). Так научный мир вернулся к изучению электрогенных микробов, обнаруженных когда-то английским аспирантом Майклом Поттером. Однако долгое время учёные не подозревали о высокой «электрогенности» экстремофильных микробов. В этом отношении помогла природа Кунашира, которая создала уникальный симулятор древней почвенной электросети.

По результатам кунаширской экспедиции 1998 года Д.Г. Заварзина (дочь академика Заварзина) выделила из Столбовского источника и описала железовосстанавливающую бактерию, которую по строгим международным правилам бактериальной номенклатуры назвали Thermincola ferriacetica («терминкола ферриацетика», т.е. «житель горячих источников, живущий за счёт окисного железа и уксусной кислоты»). Вскоре, американские коллеги обнаружили, что этот микроб и его ближайшие родственники являются чемпионами по генерации электрического тока среди известных обитателей экстремальных вулканических экосистем Земли, а в ходе кунаширских экспедиций Института микробиологии 2011-2014 годов было установлено, что Терминкола является постоянным жителем Столбовских источников, и в этих источниках может действовать стабильная модель «микробной батарейки», в которой электрогенные микробы взаимодействуют между собой и с окружающими минералами посредством прямого обмена электронами, т.е. посредством электрического тока.

«Если вы опустите один электрод глубоко в железистый ил, а второй оставите на поверхности воды и свяжете их проводом, приборы зафиксируют стабильный электрический ток. Микробы охотно отдают электроны проводящим материалам вместо железа» — рассказывает Сергей Гаврилов.

В дикой природе Курильских островов роль таких проводов берут на себя мириады минеральных частиц: электропроводный вулканический титаномагнетитовый песок и кусочки угля от захороненых много лет назад деревьев. Микробы буквально «подключаются» к этим природным кабелям, сбрасывая электроны, которые уходят на поверхность воды и связываются там с кислородом, образуя… всё ту же воду. Парящие термы Кунашира пульсируют невидимыми токами — точно так же, как пульсировала молодая Земля сотни миллионов лет назад, когда на ней формировались основные мировые запасы железных руд.

Данные исследования имеют и практическую цель — помочь в инжиниринге новых источников электропитания для океанологических, сейсмологических, метеорологических и других полезных устройств, расположенных там, где обычные аккумуляторы садятся или замерзают, а микробы могут жить и давать ток за счет тепла и минералов земли. Модель таких «микробных аккумуляторов» разработал и испытывает на практике участник экспедиции 2026 г. Алексей Клюев.

Полевой маршрут экспедиции ИНМИ РАН июля 2026 года похож на прыжки между геологическими эпохами. Команда, в которую вошли Сергей Гаврилов, Алексей Клюев и Валерия Пихтерева методично отрабатывала точку за точкой. Они закладывали длительные полевые эксперименты на Столбовских источниках, получали спецразрешения на закрытый Горячий пляж, пробирались по бамбукам на Верхнедокторские источники, исследовали Северные Третьяковские (официально именуемые на картах Валентиновскими).

Каждый источник — это отдельный химический космос. Но главная научно-популярная драма развернулась на этапе работ, когда исследователи спустились в грандиозную чашу кальдеры вулкана Головнина.

В кальдере вулкана Головнина доминируют кислые источники, однако прямо у протоки между озёрами, посреди кислых потоков, ученые обнаружили уникальные гидротермальные оазисы.

«Вокруг бурлит кислота, но эти скрытые источники выдают рН 6,7 — практически нейтральную среду, для экстремофилов это идеальный курорт» — рассказывает Сергей Гаврилов.

Удивительное скрывается и на дне потока из нейтрального источника. Это странные, колышущиеся в потоках воды, объемные структуры темного цвета — и они живые! Эти черные нити, похожие на миниатюрные дреды, сотканы из миллиардов прокариотных клеток и минеральных частиц. Они жадно впитывают растворенное железо, включаясь в круговорот химических превращений вулканических веществ. Команда Гаврилова взяла пробы этих «нитей», чтобы расшифровать их состав и механизмы стремительного роста.

Кунаширские микробы ломают стереотипы о медлительности природных процессов. Во время монтажа экспериментальной электрической установки на Столбовских источниках ученым пришлось немного изменить русло ручья — подпереть камнями борта, чтобы замедлить бег воды. Результат поразил команду: меньше чем за сутки абсолютно голые, чистые камни начали покрываться серыми объемными обрастаниями. Прокариотные сообщества колонизируют пространство со скоростью цепной реакции.

Но если «живые нити» Столбовских терм демонстрируют высокую скорость освоения территории, то микроскопические обитатели Горячего пляжа преподнесли ученым медицинский сюрприз мирового масштаба. Еще в 2011 году из здешнего парящего песка микробиологи ИНМИ РАН выделили архею, процветающую при температуре 83°C. Архея принадлежала к очень хорошо известному роду Thermococcus («термококков»), широко распространённому во многих морских и наземных гидротермах Земли, в том числе, на Японских островах. Однако обитатель Горячего Пляжа, в отличие от своих ближайших собратьев и соседей, оказался продуцентом совершенно нового, ранее неизвестного науке антибиотика.

В этой находке кроется поразительный эволюционный парадокс. Зачем существу, обитающему в природном кипятке, тратить энергию на производство оружия против человеческих патогенов, вроде золотистого стафилококка? Ведь в кипящих гейзерах такие бактерии мгновенно погибают сами.

«Мы сначала даже в шутку думали, что это стоки со старой свалки заставили архею приспособиться к человеческому мусору, — смеется Сергей Гаврилов. — На самом деле, Горячий пляж омывается приливами Тихого океана. В моменты охлаждения туда неизбежно попадают бактерии из нашего, «обычного» мира. Древняя архея вынуждена защищаться от чужаков на то время, пока песок охлаждается и даёт им шанс «похозяйничать» в доме архей».

Сегодня, когда медицина бьет тревогу из-за глобальной проблемы антибиотикорезистентности, — когда супербактерии в больницах перестают реагировать на существующие лекарства, — подобные находки приходятся очень кстати. Московские учёные уже проверили новый антибиотик на изолятах, взятых у реальных пациентов: древнее оружие археи работает. Одной из задач экспедиции 2026 года как раз и стала «охота» за новыми штаммами этой уникальной археи.

Чтобы доставить капризных обитателей курильских недр в Москву, ученым не требуются термостаты. У термофилов при остывании запускаются механизмы консервации.

«Для этих существ комнатная температура или холод холодильника — это глубокий сон, как консервация; они не погибают, а замирают, терпеливо дожидаясь, пока их снова поместят в привычные условия. Самое сложное в их биологии — это верхний температурный порог», — объясняет Сергей Гаврилов.

Организмы, способные процветать при температуре выше 80°C, называют гипертермофилами. Изучая их, исследователи натолкнулись на поразительный эффект «острой бритвы». Кунаширские гипертермофилы, как и все остальные, прекрасно себя чувствуют при 75°C, 80°C и даже 95°C. Но стоит поднять температуру всего на 3-5 градусов выше их оптимальных условий роста, как они погибают. Эта резкая верхняя температурная граница роста, причины которой пока не вполне ясны, делает их изучение невероятно азартным. Но это важно для понимания возможных экологических проблем в заповеднике и сопредельных территориях: бездумное смешивание различных термальных источников на местности может привести к гибели уникальной микрофлоры отдельных источников!

Помимо фундаментальных загадок, кунаширские находки имеют колоссальное прикладное значение для медицины. Раковые опухоли коварны, но у них есть уязвимость — из-за аномально быстрого деления клеток они всегда чуть горячее остального тела. Ещё в 2000-е годы южнокорейские и американские учёные обнаружили у термофильной железовосстанавливающей бактерии, обитающей в гидротермах Гавайских островов, уникальную особенность: если «подкормить» её редкоземельным металлом вместе с оксидом железа, она начнёт производить магнетит, свойства которого реагируют на температурный сдвиг всего в полградуса. Наночастицу такого магнетита, снаряжённую противоопухолевым лекарством, можно ввести в кровоток пациента, и стоит ей зайти в «перегретую» зону опухоли, как магнетизм мгновенно отключается, и препарат высвобождается строго в очаге болезни, не убивая здоровые клетки. У биогенных магнетитов есть и другие полезные свойства. Прямо сейчас сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН, куда входит и Институт микробиологии, в Москве тестируют магнетиты, произведённые кунаширскими обитателями и другими термофильными бактериями, на мышах, создавая природные, безопасные контрастные вещества для компьютерной томографии (КТ) нового поколения.

Полевой этап экспедиции, завершившийся в конце июля 2026 года, — это, как всегда, только начало. Собранные образцы природных микробных сообществ, осадков и термальной воды бережно упакованы в пробирки и доставлены в Москву. Впереди месяцы кропотливой камеральной работы.

«Штамм — это результат долгой, упорной лабораторной работы, занимающей год, два или три, из собранного материала мы сначала будем получать накопительные культуры, а затем — выделять из них чистые штаммы (новые изоляты)» — подчеркивает Сергей Гаврилов.

С сентября по декабрь 2026 года к работе подключатся молекулярные биологи и биоинформатики А.Ю. Меркель, А.А. Клюкина и А.Г. Ельченинов (который руководил курильской экспедицией ИНМИ РАН 2023 года). Они проведут метагеномный анализ полученных проб, будут собирать композитные геномы микробов из миллионов кусочков ДНК, совершая «перепись населения» горячих курильских ключей.

Параллельно, ученые планируют заглянуть в будущее. В 2014 году микробиологи впервые описали подводные морские гидротермы Алёхинской и Нескученской групп. Тогда из этих источников было получено около 50 новых штаммов. Но с 2014 года молекулярная экология сделала гигантский шаг вперед: если раньше для идентификации микробов требовались сложные и долгие посевы, то сегодня по одному маркерному гену 16S рРНК можно быстро и с точностью до рода определить состав микробного сообщества.

Это открывает дорогу к новой амбициозной цели ИНМИ РАН — расширению исследований подводных гидротерм Курильской гряды. Там, на стыке колоссального давления океана и подземного жара, скрываются еще более интересные экосистемы, способные в очередной раз перевернуть наши представления о том, как ковалось железо нашей планеты, и как зародилась жизнь на Земле.