Присутствие человека в космосе неразрывно связано с микробами.
Космическая микробиология возникла в тот момент, когда мы вышли в космос, поскольку микроорганизмы живут в нас, на нас и на всем, с чем мы взаимодействуем, а способность микроорганизмов выживать в условиях космической среды была проверена еще в 1930-х годах. Сегодня эта тема расширилась, она тесно связана с аспектами астробиологии и приобретает все большее значение по мере того, как люди продвигают свои исследования вглубь Солнечной системы.
Настоящий обзор был подготовлен с целью привлечения внимания к работам молодых авторов, восходящих звезд в области космической микробиологии. В нее вошли пять статей, которые освещают некоторые из наиболее динамичных областей в этой области, включая дискуссии о влиянии экспериментов по облучению (в условиях космического полета и в условиях, подобных марсианским), об изучении добиотической жизни и о новых подходах в мониторинге микроорганизмов. В обзоре рассматриваются работы в общей сложности 40 авторов из учреждений пяти разных стран мира (Германии, Италии, Китая, США и Японии), что свидетельствует о широком интересе к этой теме исследования.
Воздействие условий космического полета
Растущий объем научной литературы свидетельствует о том, что воздействие специфических условий космического полета (например, микрогравитации) может привести к повышенному риску для экипажа. Это происходит в результате снижения иммунного ответа у людей в сочетании с некоторыми изменениями в физиологии и резистентности микроорганизмов, а именно: усилением образования биопленок, снижением чувствительности к антибиотикам и усилением экспрессии факторов вирулентности.
Работа Siems et al. посвящена этой теме и направлена на подтверждение того, что изменения, вызванные космическим полетом, могут проявиться в бактериях, связанных с человеком. Для этого они сравнили типовой штамм Staphylococcus capitis с тремя изолятами, имеющими отношение к космическим полетам (полученными с МКС, из чистого помещения и при исследовании искусственной гравитации). В ходе исследования изучались изменения в росте, морфологии колоний, метаболизме, составе жирных кислот и липидов, образовании биопленок, чувствительности к антибиотикам и выживаемости в различных стрессовых условиях, что сочеталось с геномным секвенированием и анализом.
Обнаруженные фенотипические и геномные различия наблюдались в основном при сравнении с типовым штаммом, а не с другими штаммами, и они не обязательно свидетельствовали о повышенной вирулентности. Стоит отметить, что штаммы демонстрировали схожие метаболические паттерны и одинаковую чувствительность к антибиотикам. Тем не менее, некоторые фенотипические различия имеют значение и требуют дальнейшего изучения в контексте космических полетов человека. Данное исследование подтверждает, что сочетание классических микробиологических методов с генетическим анализом позволяет детально оценить потенциальную угрозу, которую представляют конкретные микробы в условиях космического полета. Такой комбинированный подход проложит путь к дальнейшим исследованиям и открытиям, которые окажут влияние на будущее пребывание человека в космосе.
Следует отметить, что изучение воздействия микроорганизмов на условия, сходные с космическими, не ограничивается прокариотическими доменами. Действительно, изучение грибов в контексте космоса также рассматривается как все более важное в контексте присутствия человека за пределами нашей планеты и как фундаментальная часть новой области исследований - астромикологии. Несмотря на признанную значимость грибков в контексте освоения космоса, они остаются малоизученными.
Чтобы помочь устранить этот пробел, Cortesão et al. специально изучили проблему роста грибков и контаминации поверхности в условиях космического полета. Они использовали различные штаммы Aspergillus niger и подвергали их воздействию симулированной микрогравитации, сравнивая с ростом в условиях нормальной гравитации. Этот вид нитевидных грибов был выбран, так как он известен своей значимостью для биотехнологий и медицины; также сообщается, что он часто колонизирует внутренние среды обитания, такие как Международная космическая станция (МКС).
Колонизационные и биоразлагающие способности A. niger, распространяющиеся на широкий спектр поверхностей, могут представлять серьезную опасность для здоровья человека и безопасности среды обитания как на нашей планете, так и за ее пределами. Данное исследование показало, что моделирование микрогравитации приводит к штаммозависимым различиям и влияет на рост колоний, увеличивая толщину биопленки и производство спор. Это очень важно, поскольку загрязнение поверхности зависит от этих двух ключевых характеристик грибковой колонии: спор и биопленки. Результаты показали, что симуляция микрогравитации не оказывает ингибирующего влияния на рост A. niger, а наоборот, потенциально увеличивает колонизацию поверхности.
Как подчеркивают авторы, дальнейшие исследования, посвященные росту грибков и контаминации поверхности в космических полетах, должны быть приоритетными не только для снижения негативного воздействия на здоровье человека и целостность материалов космического корабля, но и для максимизации положительного эффекта от биотехнологий на основе грибков и использования ресурсов in situ.
Воздействие условий, подобных планетарным
При обсуждении различных экологических "экстремумов", которые могут быть актуальны для астробиологических исследований, огромное значение имеет высокая соленость. Вопреки первоначальным представлениям, высокая концентрация соли не исключает существование жизни, о чем свидетельствуют обилие и разнообразие микроорганизмов в различных гиперсоленых объектах - от прудов-испарителей до соленой пищи или даже глубоководных рассолов. Более того, кристаллы соли могут даже выступать в качестве потенциальных консерваторов микробов и биомолекул, а также биомаркеров в геологических временных масштабах.
Что касается конкретных условий Марса, то относительно недавнее обнаружение перхлоратных солей в реголите и их широкое распространение поднимает несколько вопросов, особенно с учетом того, что эти соли были предположены в качестве критической химической опасности для предполагаемых форм жизни. Перхлораты мало изучены, так как на Земле практически нет сведений о средах с высокими концентрациями этих солей. Это ключевой вопрос в данной области.
В статье Cassaro et al. рассматриваются наши ограниченные знания о последствиях воздействия перхлоратов путем изучения полиэкстремофильного черного грибка Cryomyces antarcticus, эукариотического модельного организма, выделенного из криптоэндолитических сообществ в Антарктике. Присутствие перхлоратов в почве и льду было ранее подтверждено в Сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде (считающихся одним из лучших наземных аналогов Марса), что делает этот вид хорошо подходящим для тестирования. В данном исследовании оценивалась устойчивость C. antarcticus при выращивании на различных гиперсолевых субстратах и на перхлоратной среде. Полученные результаты свидетельствуют о хорошей выживаемости и восстановлении метаболической активности этого модельного организма при воздействии этих "марсианских" условий. Эти результаты влияют на наше понимание жизнестойкости жизни при воздействии малоизученных марсоподобных условий, что имеет значение для поиска жизни, защиты планеты и потенциального использования микробов на Марсе.
Добиотическая жизнь
Космическая микробиология связана и с другими важными направлениями исследований, в том числе с поиском новых сведений о происхождении жизни. Важнейшей предпосылкой для пребиотической химии является значительное накопление критических строительных блоков жизни. Предполагается, что частые столкновения метеоритов с первобытной Землей могли привести к образованию паровой атмосферы. Истинные эффекты и ограничения такой атмосферы не до конца ясны, поскольку они способствовали бы глобальному распространению и эффективности синтеза строительных блоков жизни, но в то же время угрожали бы стабильности органики и ее значительному накоплению.
В своей работе Zhang et al. рассматривают этот пробел. Авторы использовали термодинамический метод для анализа сродства к синтезу различных строительных блоков жизни с использованием неорганических газов в качестве реактивов при повышенных температурах и соответствующем давлении пара на границе раздела пар-вода. Результаты этого исследования свидетельствуют о том, что восстановительные условия, могли обеспечить благоприятные условия для синтеза/накопления некоторых строительных блоков жизни, хотя это не обязательно относится к некоторым критическим видам (например, HCN и нуклеозидам), которые не были благоприятны для накопления до заметных уровней.
Результаты этого исследования делают нас на шаг ближе к раскрытию процессов, связанных с происхождением жизни, а также помогают направить будущие усилия по поиску или пониманию стабильности биомолекул на Марсе, ледяных лунах внешней части Солнечной системы или в других местах. Одним из важных будущих направлений исследований, на которые обращают внимание авторы, является изучение кратеров на предмет сохранения пребиотических материалов.
Новые подходы в мониторинге микроорганизмов
Вступая в новую эру освоения космоса, мы должны найти сложный баланс между внедрением новых разработок, удовлетворением растущих потребностей в аналитических измерениях и лабораторных экспериментах и снижением требований к полезной нагрузке. В этом контексте нанобиосенсоры типа "лаборатория-на-чипе" представляются развивающейся и актуальной технологией, учитывая их малую занимаемую площадь, высокую точность и низкие требования к полезной нагрузке.
В статье Cinti et al. рассматривается текущая и потенциальная роль таких датчиков в освоении космоса и исследовании экстремальных условий, сообщается о том, что было протестировано на данный момент, и уточняется направление, в котором эти недавно разработанные технологии будут использоваться для исследования экстремальных условий и космоса. Несмотря на редкие сообщения, такие датчики будут играть ключевую роль в будущем космической микробиологии и, как ожидается, значительно улучшат качество долгосрочных космических миссий.
Космическая микробиология является предметом пристального интереса и активности исследователей из разных областей знаний и по всему миру. Ожидается, что в ближайшие несколько лет исследования, сосредоточенные на Земле, Луне, Марсе и различных ледяных океанических мирах, принесут значительные новые достижения в этой междисциплинарной области.
