Есть ли жизнь на Марсе прямо сейчас? Земные экстремофилы доказали способность активно расти под поверхностью Марса

В 1976 году американский космический аппарат «Викинг-1» совершил посадку на Марсе и провел первый в истории прямой эксперимент по поиску внеземной жизни. Прибор Labeled Release добавил в марсианский реголит жидкие питательные вещества с радиоактивной меткой. По замыслу авторов, если в грунте присутствовали микроорганизмы, они должны были переработать эти вещества и выделить газ с меткой. Прибор зафиксировал выделение газа. Первоначально это результат посчитали подтверждением наличия жизни.

Однако последующий анализ показал, что реакция носила химический, а не биологический характер. Компоненты питательного раствора вступили в реакцию с химическими соединениями в грунте. На долгое время научное сообщество пришло к выводу, что поверхность Марса непригодна для жизни. Этому способствуют три фактора: сухие условия, интенсивное ультрафиолетовое излучение Солнца и низкое атмосферное давление, при котором жидкая вода быстро испаряется.

Тем не менее исследования последних лет сместили фокус внимания ученых с поверхности Марса на его подповерхностные слои. Группа биологов и физиков из Флоридского университета и Музея естественной истории Лос-Анджелеса опубликовала результаты исследования, которое доказывает: на глубине нескольких десятков сантиметров условия позволяют микроорганизмам не просто сохранять жизнеспособность, но и активно расти, размножаться и перерабатывать окружающие вещества.

Физика воды при низком атмосферном давлении

Чтобы понять, почему поиск жизни перенесли под землю, необходимо рассмотреть поведение воды при разном атмосферном давлении. На Земле на уровне моря атмосферное давление составляет около 1013 миллибар. При таком давлении вода закипает при температуре 100 градусов Цельсия.

На поверхности Марса среднее атмосферное давление составляет от 6 до 10 миллибар, что примерно в сто раз ниже земного. В таких условиях температура кипения воды опускается почти до нуля градусов. По этой причине чистая жидкая вода на поверхности Марса либо мгновенно замерзает, либо закипает и превращается в пар.

Однако физические условия меняются под поверхностью. На глубине около 20 сантиметров — в порах грунта, трещинах горных пород и между кристаллами солей — давление воздуха может подниматься до 24 миллибар. При таком давлении закипание воды происходит при более высоких температурах, но чистая вода все равно испаряется достаточно быстро.

Решением этой проблемы становятся солевые растворы высокой концентрации, которые называют рассолами. Когда в воде растворяется большое количество соли (например, хлорида натрия), молекулы соли удерживают молекулы воды. Это приводит к двум эффектам:

1. Снижается скорость испарения воды в условиях низкого давления.
2. Понижается температура замерзания жидкости, что позволяет ей оставаться жидкой при температурах ниже нуля градусов Цельсия.

Таким образом, подповерхностные солевые растворы представляют собой устойчивые источники жидкой воды на современном Марсе.

Устройство эксперимента и выбор микроорганизма

Чтобы проверить, возможна ли жизнь в таких условиях, авторы исследования создали лабораторную установку, полностью имитирующую подповерхностную среду Марса.

Для эксперимента был выбран микроорганизм Haloferax volcanii. Это представитель архей — одноклеточных организмов, которые внешне похожи на бактерии, но обладают принципиально иным химическим строением и метаболизмом. Вид Haloferax volcanii относится к галофилам — организмам, которые живут в средах с высокой концентрацией соли, таких как Мертвое море или Соленое озеро в США.

Исследователи поместили образцы архей в специальные вакуумные камеры и создали в них следующие параметры:

• Атмосферное давление: 24 миллибара (соответствует подповерхностному слою Марса).
• Состав газа: 99.9% углекислого газа при полном отсутствии кислорода (атмосфера Марса состоит в основном из углекислого газа).
• Состав жидкости: вода с высокой концентрацией поваренной соли — 225 граммов хлорида натрия на литр (для сравнения, соленость океанов Земли составляет около 35 граммов на литр).
• Температура: 21 градус Цельсия. Эта температура соответствует наиболее теплым периодам марсианского лета в экваториальных районах.

Для жизнедеятельности любому организму необходим источник энергии и химические вещества, выполняющие роль акцепторов электронов. На Земле большинство животных и многие бактерии используют для этого кислород. В условиях отсутствия кислорода микроорганизмы вынуждены использовать другие химические соединения.

В экспериментальную среду добавили нитраты и перхлораты. Нитраты — это соли азотной кислоты, а перхлораты — соли хлорной кислоты. Оба типа этих соединения широко распространены в марсианском грунте. Перхлораты долгое время считались веществами, разрушающими биологические структуры, однако некоторые земные микроорганизмы способны использовать их для получения энергии при отсутствии кислорода.

Результаты 160-дневного наблюдения

Эксперимент продолжался непрерывно в течение 160 дней (около пяти месяцев). За это время ученые провели серию измерений, чтобы проверить, происходят ли в вакуумной камере биологические процессы.

1. Подтверждение роста клеток

Рост микроорганизмов определяли путем регулярного измерения оптической плотности раствора. По мере того как микробы делятся и увеличивают свою численность, прозрачность жидкости снижается, и она становится более мутной. В образцах, содержавших нитраты или перхлораты при давлении 24 миллибара, зафиксировано устойчивое увеличение мутности среды. Контрольные образцы, в которые не добавляли нитраты и перхлораты, роста не показали. Это подтвердило, что увеличение количества клеток происходило за счет активного метаболизма, а не простого выживания ранее внесенных организмов.

2. Химическая переработка солей

С помощью ионоселективных электродов ученые измерили изменение концентрации солей в растворе до и после эксперимента. За 160 дней концентрация нитратов снизилась на 15-33%, а концентрация перхлоратов — на 16-29%. Это химическое доказательство того, что микроорганизмы физически перерабатывали марсианские соли для поддержания своей жизнедеятельности.

3. Сохранение объема жидкости

Один из главных вопросов заключался в том, испарится ли раствор в условиях давления в 24 миллибара. Точные взвешивания образцов до и после 160 дней инкубации показали, что потеря воды во всех вариантах эксперимента не превысила 4%. Высокая концентрация соли в сочетании со строгим контролем давления предотвратила испарение жидкости.

Структурная адаптация клеток и молекулярные маркеры

Чтобы детально изучить поведение микроорганизмов под марсианским давлением, исследователи применили методы электронной микроскопии и спектроскопии.

Формирование защитных биопленок

Сканирующая электронная микроскопия показала различия в строении колоний при разном давлении. При нормальном земном давлении (1013 миллибар) клетки Haloferax volcanii находились в растворе по отдельности.

Однако при давлении 24 миллибара микроорганизмы начали объединяться в плотные группы и выделять органическое вещество, формирующее биопленку. Эта биопленка образовалась на поверхности раздела между жидкостью и газом. Образование плотного органического слоя на поверхности раствора дополнительно затормозило испарение воды, способствуя сохранению жидкой среды.

Сохранение пигментов и биосигнатур

Для обнаружения следов жизни на других планетах ученые используют поиск биосигнатур — химических веществ, которые могут производиться только живыми организмами. Микроорганизм Haloferax volcanii вырабатывает природный пигмент бактериоруберин, принадлежащий к группе каротиноидов. Этот пигмент имеет розово-красный цвет и защищает клетку от внешних повреждений.

Наличие бактериоруберина определяли методом Рамановской спектроскопии. Этот метод основан на том, что лазерный луч направляется на образец, а молекулы вещества рассеивают свет с изменением частоты. Каждое химическое соединение дает уникальный график с пиками, по которым можно определить его состав.

В образцах, росших под давлением 24 миллибара, спектрометр зафиксировал пики бактериоруберина (на уровнях 1505, 1150 и 1000 обратных сантиметров). Ранее считалось, что переработка перхлоратов приводит к быстрому окислению и разрушению каротиноидных пигментов. Однако при температуре 21 градус Цельсия пигмент сохранился в количестве, достаточном для его фиксации лазером. Это означает, что лазерные приборы, установленные на современных марсоходах, способны обнаружить аналогичные органические пигменты, если они присутствуют в марсианском грунте.

Значение для будущих исследований и планетарной защиты

Результаты проведенного эксперимента имеют прямое практическое значение для дальнейшей программы исследования Марса.

Новые протоколы поиска жизни

С момента миссии «Викинг» большинство методов выявления жизни предполагало внесение образцов грунта в стандартные земные питательные растворы при земном атмосферном давлении. Настоящее исследование показывает, что такой подход может быть ошибочным. Если под поверхностью Марса существуют микроорганизмы, они адаптированы к высокой солености и низкому давлению. Помещение их в пресную воду или в условия нормального земного давления приведет к разрушению их клеток из-за осмотического шока (резкого изменения давления внутри клетки). Поиск и выращивание возможной марсианской жизни необходимо проводить в солевых растворах при пониженном давлении.

Проблема биологической безопасности

Работа с микроорганизмами при низком атмосферном давлении проявляет новую проблему в области планетарной защиты. В лабораториях высокого уровня биологической защиты на Земле основное внимание уделяется предотвращению утечки микроорганизмов через воздух.

В условиях низкого давления жидкость легко закипает при малейшем изменении температуры или давления. Закипание приводит к образованию микроскопических капель жидкости — аэрозолей. Если в образцах грунта, доставленных с Марса на Землю или на орбитальную станцию, окажутся жизнеспособные микроорганизмы, попытка их культивирования в условиях пониженного давления может вызвать образование аэрозолей и нарушить герметичность защитных боксов.

Выводы

Авторы исследования подчеркивают: результаты работы не означают, что на Марсе гарантированно существует жизнь. Они лишь доказывают физическую и химическую возможность ее существования.

До сих пор считалось, что комбинация низкого давления, отсутствия кислорода, высокой концентрации солей и наличия токсичных перхлоратов делает современный Марс непригодным для живых организмов. Эксперимент с Haloferax volcanii впервые показал, что живая клетка способна использовать эти факторы для поддержания роста, создания защитных структур и сохранения своего химического состава на протяжении длительного времени. Подповерхностные слои Марса остаются потенциально обитаемой средой.

Источник: biorxiv