Ученые узнали предел выносливости живых существ — результат будет важен для поиска жизни на Марсе

Ученые обнаружили, что некоторые земные микроорганизмы способны не просто выживать, но и размножаться в условиях, которые отчасти напоминают среду, потенциально существующую под поверхностью Марса.

В лабораторном эксперименте солелюбивые археи на протяжении более пяти месяцев росли при крайне низком атмосферном давлении, в очень соленой среде и практически без кислорода. Вместо него они использовали химические соединения, которые обнаружены на Красной планете. Исследование провела группа ученых под руководством Адама Робинсона из Университета Флориды, результаты опубликовало Американское общество микробиологии.

Работа важна прежде всего тем, что исследователям удалось продемонстрировать активный рост микроорганизмов при одновременном воздействии нескольких факторов, характерных для Марса. Ранее ученые уже проверяли, способны ли земные организмы переносить отдельные марсианские условия, например, низкое давление, высокую концентрацию солей или отсутствие кислорода. Некоторые эксперименты показывали, что микроорганизмы могут сохранять жизнеспособность даже при сочетании нескольких неблагоприятных факторов. Однако доказать, что они способны в таких условиях активно размножаться и поддерживать обмен веществ, удавалось значительно реже.

Для эксперимента ученые выбрали архею Haloferax volcanii — одноклеточный микроорганизм, приспособленный к жизни в чрезвычайно соленой среде. Его родственников и представителей этого вида можно обнаружить в таких местах Земли, как Мертвое море и Большое Соленое озеро в американском штате Юта. Эти организмы относятся к экстремофилам — живым существам, способным существовать там, где большинство других организмов не выживает.

Археи — отдельная группа одноклеточных организмов, отличающаяся от бактерий особенностями клеточного строения, биохимии и генетического аппарата. Некоторые из них прекрасно приспособлены к условиям с очень высокой концентрацией соли. Поэтому Haloferax volcanii давно используют в исследованиях, посвященных пределам выносливости земной жизни и возможности существования микроорганизмов за пределами нашей планеты.

Интерес ученых к таким организмам связан и с особенностями Марса. Хотя сегодня его поверхность считается крайне неблагоприятной для жизни, подземные участки планеты могут быть устроены иначе. В частности, в некоторых породах и соляных отложениях теоретически могут сохраняться небольшие объемы чрезвычайно соленой жидкой воды. Такие «рассолы» потенциально способны создавать условия, в которых микробная жизнь могла бы существовать даже при неблагоприятной окружающей среде.

При этом главная трудность для возможных марсианских микроорганизмов заключается не в каком-то одном неблагоприятном факторе. На Красной планете одновременно действуют несколько ограничений: крайне низкое атмосферное давление, недостаток жидкой воды, сильное излучение, низкие температуры и присутствие химически активных соединений. Именно сочетание этих условий делает современный Марс настолько негостеприимным для земных форм жизни.

Как проходил эксперимент

Адам Робинсон и его коллеги создали в лаборатории среду, которая должна была воспроизвести некоторые условия, возможные в неглубоких подземных слоях Марса. Для этого они поместили культуры микроорганизмов в атмосферу с очень низким давлением, высокой концентрацией углекислого газа и практически полным отсутствием кислорода.

Эксперимент продолжался 160 дней — более пяти месяцев. Температуру поддерживали на уровне 21 градус Цельсия, а давление составляло всего 24 миллибара. Для сравнения: нормальное атмосферное давление на уровне моря на Земле — около 1013 миллибар. Таким образом, в лабораторной установке оно было примерно в 42 раза ниже земного.

Еще одним важным условием стала соленость питательной среды. Ученые использовали раствор с концентрацией хлорида натрия 225 г на литр. Это примерно в семь раз выше солености морской воды. Столь высокая концентрация соли нужна была не только потому, что Haloferax volcanii предпочитает подобную среду. Она также помогала удерживать воду в жидком состоянии при очень низком давлении, когда обычный водный раствор быстро испарялся бы.

Но главным испытанием для микроорганизмов стало отсутствие кислорода. На Земле многие организмы используют его в процессе клеточного дыхания, получая энергию для поддержания жизнедеятельности и размножения. Однако некоторые микроорганизмы способны обходиться без кислорода, используя другие химические соединения.

В данном случае исследователи добавили в питательную среду два вещества, которые представляют особый интерес для астробиологии: нитраты и перхлораты. Оба типа соединений обнаружены на Марсе. При отсутствии кислорода микроорганизмы могли использовать их в качестве альтернативных акцепторов электронов — веществ, принимающих электроны в ходе реакций клеточного дыхания.

Проще говоря, ученые проверяли, смогут ли археи получать энергию не привычным для многих земных организмов способом, а за счет химических соединений, которые потенциально могут быть доступны и в марсианской среде.

Для сравнения часть культур содержали в тех же условиях, но без добавления нитратов и перхлоратов. Это позволяло выяснить, действительно ли микроорганизмы размножаются благодаря использованию этих веществ, а не просто сохраняют жизнеспособность.

Результаты оказались показательными. В культурах, которым предоставили нитраты или перхлораты, ученые зафиксировали рост популяции. При этом микроорганизмы, оставшиеся без обоих соединений, не продемонстрировали заметного увеличения численности. Они сохранили жизнеспособность, но не начали активно размножаться.

Исследователи также обнаружили, что при одинаковых условиях нитраты обеспечивали более интенсивный рост, чем перхлораты. Впрочем, даже в благоприятных для размножения экспериментальных группах микроорганизмы росли значительно медленнее, чем в контрольных культурах, находившихся при обычном земном атмосферном давлении.

Это принципиальное различие: эксперимент показал не просто способность клеток пережить неблагоприятные условия, а возможность поддерживать активный обмен веществ и увеличивать численность популяции на протяжении длительного времени.

Микроорганизмы научились удерживать воду

Еще один интересный результат эксперимента связан с тем, как археи приспосабливались к окружающей среде. Из-за крайне низкого давления исследователям было важно выяснить, сможет ли питательная среда сохранять воду достаточно долго, чтобы микроорганизмы не погибли от обезвоживания. Оказалось, что даже за 160 дней потери жидкости во всех экспериментальных группах не превысили 4%.

В культурах, где микроорганизмы активно росли, потери жидкости составляли всего 1,55–2,13%. Для сравнения, в контрольных образцах без активного роста они достигали 2,88–3,76%.

При исследовании образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа ученые заметили, что клетки образовали плотные скопления, окруженные внеклеточным веществом. Такие структуры напоминают биопленки — сообщества микроорганизмов, заключенные в защитную слизистую оболочку, которую они формируют самостоятельно.

Биопленки помогают микроорганизмам удерживаться на поверхностях, взаимодействовать друг с другом и защищаться от неблагоприятных воздействий окружающей среды. В данном эксперименте они, предположительно, также способствовали сохранению влаги, замедляя испарение воды из соленого раствора.

При этом такие структуры обнаружили именно в тех культурах, где происходил активный рост. В образцах, которые не демонстрировали размножения, выраженного образования биопленок не наблюдалось.

Авторы исследования предполагают, что подобный механизм мог бы иметь значение и для гипотетической жизни под поверхностью Марса. Если местные микроорганизмы способны формировать защитные сообщества, это может помогать им удерживать воду и дольше поддерживать обмен веществ даже в условиях, когда жидкая вода доступна лишь в ограниченном количестве.

Ученые изучили и еще один важный аспект — сохранность биологических следов, которые потенциально можно обнаружить при поиске внеземной жизни. Для этого они использовали рамановскую спектроскопию, позволяющую определять химический состав вещества по особенностям рассеяния лазерного света.

Исследователей интересовали каротиноиды — пигменты, которые придают некоторым микроорганизмам окраску и помогают защищать клетки от окислительного повреждения. У Haloferax volcanii основным таким пигментом является бактериоруберин.

Анализ показал, что характерные спектральные признаки каротиноидов сохранялись даже после продолжительного пребывания микроорганизмов в условиях эксперимента. Их интенсивность несколько снизилась, особенно в культурах, использовавших перхлораты, но полностью пигментные сигналы не исчезли.

Это наблюдение имеет значение для будущих космических исследований. Если гипотетические марсианские микроорганизмы производят похожие пигменты, их химические следы могут помочь обнаружить признаки жизни даже в том случае, если сами клетки уже погибли.

Может ли жизнь существовать на современном Марсе?

Авторы подчеркивают, что результаты эксперимента не доказывают существование жизни на Марсе. Ученые использовали земной микроорганизм, питательную среду с необходимыми ему веществами и лабораторные условия, которые воспроизводили лишь отдельные характеристики предполагаемой подземной марсианской среды.

Более того, некоторые важные ограничения эксперимента не позволяют напрямую переносить его результаты и на Марс.

В частности, температура составляла 21 градус, тогда как средняя температура на поверхности Марса оценивается примерно в −60 градусов. В полярных районах она может опускаться до −153 градусов. Хотя в отдельные периоды и в некоторых районах планеты возможны более теплые условия, большая часть марсианской среды значительно холоднее лабораторной установки.

Кроме того, исследователи не воспроизводили все химические особенности марсианского грунта и не проверяли, смогут ли микроорганизмы существовать без специально подготовленной питательной среды. В частности, для роста им предоставляли необходимые питательные вещества и источники углерода. Между тем предполагаемые подземные резервуары жидкой воды на Марсе пока не обнаружены непосредственно: их существование остается научной гипотезой, основанной на геологических данных и представлениях о возможных условиях в недрах планеты.

Сам Робинсон также предостерегает от слишком смелых выводов. По его словам, исследование не свидетельствует о том, что жизнь на Марсе существует сегодня. Однако оно показывает, что некоторые участки неглубоких подземных слоев планеты теоретически могут сохранять условия, подходящие для активного обмена веществ и существования живых организмов.

Исследователь обращает внимание и на другой вопрос: если на Марсе действительно когда-то существовала жизнь, ее представители могли постепенно приспособиться к изменению окружающей среды на протяжении миллиардов лет.

«Если земная жизнь способна расти в столь неблагоприятных условиях, с которыми она никогда не сталкивалась в естественной среде, то как могли бы выглядеть потенциальные марсианские организмы после миллиардов лет эволюции в таких условиях?» — задается вопросом Робинсон.

Соавтор работы Скотт Перл также считает, что представления о пригодности среды для жизни нуждаются в пересмотре. По его словам, организмы, которые могли эволюционировать непосредственно на Марсе, приспосабливались бы к условиям этой планеты на протяжении миллиардов лет. Поэтому то, что кажется негостеприимным для земных форм жизни, необязательно было бы таким же для организмов, возникших и развивавшихся на Марсе.

Что ученые собираются проверить дальше

Исследователи намерены постепенно усложнять эксперименты, приближая лабораторные условия к реальной марсианской среде.

В частности, они планируют снизить температуру и давление, добавить циклы замерзания и оттаивания, использовать имитацию марсианского грунта и более точно воспроизвести химический состав среды, включая органические соединения, которые могут быть доступны микроорганизмам на Марсе.

Ученые также хотят выяснить, какие именно клеточные механизмы позволяют археям переносить сочетание низкого давления, высокой солености и отсутствия кислорода. Для этого предполагается изучать активность генов и белков, участвующих в обмене веществ и адаптации к стрессовым условиям.

По мнению авторов, подобные исследования важны не только для понимания того, может ли на Марсе существовать жизнь сегодня. Они помогут разработать методы обнаружения потенциальных марсианских организмов и определить, как правильно исследовать такие образцы, не уничтожая возможные биологические следы.

Есть и еще одна причина для продолжения этих работ. Космические аппараты, отправляемые с Земли, могут случайно переносить на Марс земные микроорганизмы. Поэтому ученым необходимо понимать, способны ли такие организмы выжить и размножиться в подземных марсианских условиях. Это важно для защиты планеты от биологического загрязнения и для того, чтобы в будущем не принять земные микроорганизмы за обнаруженную внеземную жизнь.

Авторы считают, что при планировании будущих миссий на Марс необходимо уделять больше внимания не только поиску следов древней жизни на поверхности, но и исследованию неглубоких подземных областей, где потенциально могут сохраняться жидкость и условия для существования микроорганизмов.

Главный вывод работы заключается в том, что выживание и активный рост — не одно и то же. И теперь у ученых есть экспериментальные доказательства того, что по крайней мере один земной микроорганизм способен не просто переживать сочетание нескольких марсианских факторов, но и размножаться при таком воздействии. Это расширяет представления о границах, в которых микробная жизнь в принципе может существовать.