Как микроорганизмы могут помочь в поисках внеземной жизни
#внеземная жизнь #космическая микробиология
В стремлении ответить на фундаментальные вопросы о природе Вселенной и поисках внеземной жизни космос становится важным рубежом для освоения человеком.
Микробы, одни из самых ранних форм жизни, появившихся на Земле, пережили время, выстояли в негостеприимных условиях и сформировали планету уникальным образом, что послужило поводом для исследований и изучения вероятности существования за пределами Земли некой микробной жизни.
Космос - крайне негостеприимная среда обитания, поэтому возникает вопрос: могут ли там вообще выжить микробы? Один из самых ранних экспериментов по изучению способности микроорганизмов выживать в космической среде был проведен в 1960 г. на советском спутнике, доставившем в космос штаммы кишечной палочки и стафилококка. В результате исследования был сделан вывод, что именно эти микроорганизмы способны выживать в условиях микрогравитации. В последующие годы NASA провело эксперименты, в результате которых было установлено, что некоторые микроорганизмы не только могут выживать в неблагоприятных условиях космоса, но и процветать в них.
Одним из микробов, обладающих уникальными свойствами выживать в условиях интенсивного гамма-излучения в космосе, является Deinococcus radiodurans. В экспериментах по проверке способности D. radiodurans выживать в космических условиях бактерии подвергались интенсивному гамма-излучению, колебаниям температуры через определенные промежутки времени и снижению давления до уровня космического вакуума. Несмотря на такой шквал интенсивных стрессовых воздействий, микробы не только выжили, но и смогли размножаться и расти. Хотя механизмы выживания до конца не изучены, предполагается, что способность D. radiodurans выживать в космосе обеспечивается за счет низкомолекулярных протеомных экранов и синтеза новых белков, способных противостоять окислительному повреждению. Кроме того, исследователи продемонстрировали, что D. radiodurans может выживать на космической станции в течение 3 лет. Такие результаты дали толчок к размышлениям о том, могут ли бактерии, подобные D. radiodurans, выжить на другой планете, поскольку адаптации, помогающие D. radiodurans выживать в космосе, потенциально могут быть полезны и для выживания на других планетах.
После этих первых экспериментов NASA отправило в космос несколько микроорганизмов, в том числе в рамках миссий Apollo 16 и 17. Однако их результаты вызывали недоумение. В одних случаях микробы, включая E.coli и Staphylococcus, демонстрировали повышенную резистентность к антибиотикам в космосе. В других случаях, когда стафилококки выращивались в биореакторах, имитирующих микрогравитацию, их вирулентность значительно снижалась, хотя наблюдалось усиленное образование биопленок. Хотя реакция на космический стресс у разных микробов была разной, бактерии, несомненно, развивали стратегии выживания и размножения в космосе.
Ученые продемонстрировали, что, как и на Земле, изменения физической среды обитания микробов заставляют их включать соответствующие гены, чтобы компенсировать эти изменения. Одним из предполагаемых триггеров повышения резистентности к антибиотикам был жидкостной сдвиг, т.е. способность жидкости оказывать давление на внешнюю мембрану микроба. Исследователи сравнили геномы микробов в космосе с земными и обнаружили, что в условиях космоса выше уровень резистентности к антибиотикам, репертуара генов, кодирующих резистентность к антибиотикам и толерантности к металлам. Была выдвинута гипотеза, что эти адаптации, наряду с физическими изменениями в составе мембран, способствуют выживанию в космосе.
Было обнаружено, что на Международной космической станции обитает множество микроорганизмов, включая бактерии и грибы. Присутствуют несколько филогенетических групп бактерий и грибов, включая Acintobacteria, Firmicutes, Proteobacteria, а также Ascomycota и Basidiomycota. Результаты, опубликованные в 2019 году, показали, что некоторые из этих микроорганизмов были связаны с микробиомом космонавтов, а некоторые являлись условно-патогенными микроорганизмами. Хотя ученые рады тому, что эти микробы теперь могут существовать в условиях микрогравитации на борту МКС, это вызвало обоснованные опасения по поводу контаминации, что заставило провести анализ и разработать процедуры дезинфекции космического корабля и защиты космонавтов от заболеваний в космосе.
Поиск внеземной жизни
Несмотря на опасность, которую представляют для космонавтов микробы, их способность выживать в космосе делает поиск внеземной жизни более интересным, поскольку поведение этих микробов может дать представление о том, какие механизмы может использовать жизнь для существования на других планетах. Известно, что магнитотактические бактерии, такие как Magnetospirillum, регулируют биогеохимический цикл железа на Земле и обладают способностью связывать железо, а также магнетит в своих клетках. В результате ученые предположили, что большое количество магнетита, присутствующего на марсианской поверхности, может служить критически важным минералом для поддержания жизни на планете, хотя для этого необходим ряд других факторов.
Марсоход NASA Perseverance, совершивший посадку на Марс в феврале 2021 года, занимается поиском образцов горных пород для доставки на Землю с целью анализа на предмет наличия признаков древней жизни. Следует отметить, что железо, в отличие от углерода и серы, после нагрева и метаморфозы горных пород оставляет изотоп в твердом состоянии, что делает его важным биомаркером временного масштаба. На марсианском метеорите ALH84001 были обнаружены кристаллы магнетита, подобные тем, что наблюдаются в магнитотактических бактериях на Земле, хотя впоследствии это открытие было классифицировано как "согласующееся с жизнью, но не нуждающееся в жизни для его объяснения".
Magnetospirillum регулируют биогеохимический цикл железа на Земле. Источник: ZEISS Microscopy/flickr.
В свете растущего интереса к внеземной жизни страны наращивают усилия по ее поиску в ходе космических полетов. Например, главная космическая организация Индии - Индийская организация космических исследований (ISRO) - недавно запустила луноход Chandrayaan-3, который впервые в истории освоения космоса совершил посадку вблизи южного полюса Луны. Одной из многочисленных задач лунохода, получившего название Pragyan, является изучение теплофизических характеристик Луны и сравнение их с земными для поиска признаков биологической активности.
Многочисленные космические миссии NASA также дают богатую информацию для поиска биологической активности. Так, аппарат Perseverance Rover специально анализировал образцы на наличие признаков существовавшей в прошлом микробной жизни. С увеличением объема информации, получаемой в ходе таких полетов, ученые надеются найти инопланетную жизнь или, по крайней мере, помочь землянам выжить на других планетах.
