Ледниковая микробная жизнь на Земле и за ее пределами
Поиски жизни за пределами Земли завораживают многих и заставляют задуматься: действительно ли мы одиноки во Вселенной?
Уникальна ли наша Земля? Возможно ли, что жизнь за пределами Земли на самом деле далека от маленьких зеленых инопланетян и гораздо ближе к микробной жизни, с которой мы делим нашу планету?
Миллиарды лет назад одноклеточные организмы были первыми формами жизни, возникшими на Земле, и существуют гораздо дольше, чем человек и другие многоклеточные организмы. Кроме того, они отличаются разнообразием обмена веществ и могут процветать в условиях, которые мы, люди, считаем экстремальными - например, на дне океана, в горячих гидротермальных источниках, в чрезвычайно соленых озерах и даже в скалах.
В первую очередь жизнь за пределами Земли следует искать в нашей Солнечной системе, где расстояния между нами и потенциально пригодными для жизни мирами все еще приемлемы для пролета космических кораблей и даже для взятия проб. Венера, Марс и многие луны Юпитера и Сатурна представляют интерес для астробиологов, хотя Европа, одна из 95 лун Юпитера, является особенно перспективным кандидатом. Европа - это океанический ледяной мир, в котором под толстой ледяной коркой находятся водяные шлейфы.
Несмотря на то, что температура поверхности постоянно держится на отметке ниже -100°С, Европа привлекает многих астробиологов как возможный объект для жизни в нашей Солнечной системе благодаря своему подледному океану. Вода важна для того, чтобы планета была пригодна для жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Такой полярный растворитель, как вода, необходим для биохимических реакций, которые приводят в движение все живое на Земле, а также может обеспечить термически стабильную среду обитания для организмов, чтобы они могли жить и развиваться.
Наряду с водой, углерод является еще одним важным строительным блоком для жизни, какой мы ее знаем. Все основные макромолекулы жизни основаны на углероде: сахара, белки, ДНК и липиды - все они состоят из атомов углерода, расположенных в различных формах, включая кольца, спирали и цепи.
В сентябре 2023 года две независимые группы ученых пришли к выводу, что твердый углекислый газ (CO2) на поверхности Европы, скорее всего, происходит из ее подледного океана, поскольку его расположение на поверхности совпадает с геологическими особенностями, указывающими на перенос воды из подо льда. Одна из исследовательских групп также предположила, что океаны окислены - химическое состояние, которое поддерживает современную биосферу Земли и, следовательно, благоприятствует обитаемости жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Хотя ученые не смогли окончательно определить источник CO2 на Европе, подтверждение существования углерода на ней подлило масла в огонь среди астробиологов, которые считают, что на ней может существовать микробная жизнь.
Признаки жизни, такие как органический углерод и вода, широко известны как биосигнатуры - химические или физические маркеры, которые указывают на биологическое происхождение. Хотя для утверждения о наличии жизни в далеком мире недостаточно одной биосигнатуры, обнаружение множества дополнительных биосигнатур на таких планетах, как Европа, может укрепить аргументы в пользу того, что жизнь в той или иной форме может существовать за пределами Земли.
В качестве места для микробиологических исследований Европа практически недосягаема - она находится на расстоянии более 400 миллионов километров и непостижимо холодна. Как же определить, может ли жизнь выжить в условиях Европы? Одна из идей заключается в изучении земных аналогов - экстремальных сред на Земле, условия которых имитируют условия далеких миров. Изучая микробную жизнь в этих экосистемах, мы сможем понять, как жизнь может сохраняться в местах, совершенно негостеприимных для большинства других форм жизни. Изучение аналогов также может дать нам подсказки о том, какие виды биосигнатур могут быть важны в различных средах, и помочь определить, что исследователи ищут в данных, поступающих от будущих миссий к Европе.
Джилл Микуки, доцент Университета Теннесси, изучает один из таких аналогов: "Кровавый водопад", который окрашивает конечную точку ледника Тейлор в Сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде. Подледниковая экосистема подземных вод, содержащая железо, вытекает на поверхность. Железо окисляется при контакте с воздухом, окрашивая вытекающую соленую воду в ржаво-красный цвет и придавая Кровавому водопаду жутковатый вид и соответствующее название. "Работая и разбивая лагерь в сухих долинах, мы испытываем потусторонние ощущения", - говорит Микуки. "Здесь бывает очень тихо... пронзительно тихо. Но если ветер усиливается, он может реветь".
Кровавый водопад, Антарктида, где подо льдом живут микробы. Железо и другие элементы из горных пород подо льдом окисляются при взаимодействии с воздухом, в результате чего образуется ржаво-красная окраска. Источник: Джилл Микуки.
Отчасти привлекательность Кровавого водопада как аналога обусловлена его уникальными гео- и гидрологическими особенностями. "Я думаю, что Кровавый водопад - отличный аналог для изучения океанического мира, потому что это одно из немногих мест, где вода выходит из-подо льда на поверхность", - объясняет Микуки. "Кроме того, он соленый, так что это как мини-океан, в который периодически выливаются порции подледниковых вод и их микробное содержимое". Эти особенности напоминают шлейфы Европы, извергающиеся из-подо льда. "На Кровавом водопаде мы можем изучать, что представляет собой жизнь подо льдом, что включает в себя переход на поверхность и что представляет собой выживание на поверхности", - говорит Микуки.
В 2009 году Микуки и ее коллеги опубликовали работу, в которой подробно описали, как микробы, обитающие под ледником Тейлора, могут осуществлять круговорот серы и использовать железо в качестве конечного акцептора электронов - роль, которую для многих организмов на поверхности Земли играет кислород. Такой метаболизм происходит в анаэробных условиях (когда кислород ограничен), что может происходить в некоторых средах, когда фотосинтезирующие организмы, производящие O2, отсутствуют. Эта экосистема погребена глубоко подо льдом и, возможно, была изолирована от внешнего мира более 1 миллиона лет.
Микуки работает над изучением подледниковых сред уже более двух десятилетий, но до сих пор ошеломлена некоторыми находками, сделанными ею и ее коллегами. Например, микробные клетки растут подо льдом очень медленно, возможно, им требуется год или больше, чтобы разделиться. "Все это до сих пор не укладывается у меня в голове", - смеется она. "Мне интересно, как долго этот соляной раствор находится под ледником Тейлора, как, где, при каких обстоятельствах он появился. Как эти микробные сообщества сохранились в этом физическом и химическом путешествии?" Может ли жизнь сохраниться подобным образом на Европе? Вопрос пока не решен, но работы по сбору дополнительных данных ведутся.
В ближайшие десятилетия мы сможем лучше рассмотреть Европу благодаря двум миссиям: JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) Европейского космического агентства и Europa Clipper НАСА. В то время как миссия JUICE, запуск которой запланирован на апрель 2023 года, должна будет охарактеризовать Европу и две другие луны Юпитера, миссия НАСА Clipper (запуск запланирован на октябрь 2024 года) будет сосредоточена на Европе. Цель "Клипера" - измерить толщину ледяной коры и обмен между поверхностью и океаном, а также изучить состав и геологию Европы. Два космических аппарата достигнут цели в 2030-х годах, после чего начнут сбор и передачу данных.
Возможность существования жизни за пределами Земли - и то, что она может сильно отличаться от того, что мы имеем здесь, - одновременно захватывает и смиряет. Если мы никогда не найдем жизнь за пределами Земли, это будет означать, что то, что произошло здесь, было необычайно особенным. Если же найдем, это перевернет все наши представления о жизни и покажет, что мы не одиноки в огромном космосе.
