Где прячется жизнь на Марсе? Как кристаллы гипса в пустыне Атакама стали моделью для астробиологов

В пустыне Атакама на севере Чили, на высоте 3517 метров над уровнем моря, располагается солончак Пахоналес. Это место характеризуется крайне суровыми климатическими условиями: здесь выпадает минимальное количество осадков, происходят резкие суточные перепады температур от отрицательных до высоких положительных значений, а уровень ультрафиолетовой радиации является одним из самых высоких на планете. Внешне эта территория выглядит абсолютно безжизненной, однако детальные исследования показывают, что физико-химические процессы внутри местных минеральных образований способны поддерживать и сохранять биологическую активность.

Международная группа ученых провела комплексный анализ минералов, залегающих на границах высохшей лагуны Фламенкос. Объектом их внимания стали гипсовые строматолиты — слоистые осадочные структуры, формирование которых связано с жизнедеятельностью микроорганизмов. Результаты исследования выявили уникальное свойство гипса: в условиях экстремальной засухи он одновременно служит укрытием для живых микробных сообществ и надежно консервирует химические остатки организмов, вымерших тысячи лет назад. Понимание этих механизмов полезно и для астробиологии, так как аналогичные минералы прямо сейчас исследуются марсоходами на поверхности Красной планеты.

Физические свойства гипса как среды обитания

Гипс представляет собой дигидрат сульфата кальция — минерал, образующийся при испарении насыщенных солевых растворов. Его способность поддерживать жизнь в условиях пустыни обусловлена двумя ключевыми физическими характеристиками. Во-первых, гипсовые кристаллы обладают определенной степенью оптической прозрачности. Они пропускают фотоны видимого спектра, необходимые для фотосинтеза, но при этом эффективно поглощают и рассеивают коротковолновое ультрафиолетовое излучение, предотвращая разрушение клеточных структур. Во-вторых, гипс способен удерживать влагу внутри своей структуры даже тогда, когда окружающая среда становится критически сухой.

Исследователи изучили строение строматолитов на микроскопическом уровне, сделав срезы породы. Анализ показал четкое разделение минерала на зоны, каждая из которых отражает разные этапы биологической и геологической истории этого региона.

В самых верхних слоях, на глубине всего нескольких миллиметров от поверхности, ученые обнаружили активные биологические сообщества. Используя метод конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, они зафиксировали наличие цианобактерий и других экстремофильных микроорганизмов. Эти клетки выделяют специфические пигменты — хлорофилл и каротиноиды. Пигменты выполняют защитную функцию, снижая радиационную нагрузку на клетки, и придают верхнему слою породы зеленоватые и розоватые оттенки.

Жизнедеятельность в этом слое строго подчинена климатическим ритмам. Большую часть времени бактерии находятся в состоянии глубокого метаболического покоя из-за нехватки воды. Однако климатические данные, собранные за несколько лет наблюдений на солончаке, зафиксировали редкие и кратковременные эпизоды повышения влажности — например, приток туманов или выпадение незначительных осадков. В такие моменты микроорганизмы впитывают доступную влагу и возобновляют процессы фотосинтеза.

Консервация прошлого: ископаемые микроструктуры

Если верхние миллиметры гипса населены живыми клетками, то более глубокие слои породы представляют собой геологический архив. На глубине нескольких сантиметров живых пигментированных организмов нет. Вместо этого электронная микроскопия и рентгенофлуоресцентный анализ выявили микроскопические слои, обогащенные кремнием, магнием и железом.

Внутри этих слоев инкапсулированы панцири диатомовых водорослей и минерализованные нитевидные структуры древних бактерий. Присутствие этих микрофоссилий (окаменелостей) указывает на совершенно иные экологические условия в прошлом. Тысячелетия назад на месте солончака располагалась мелководная лагуна. По мере изменения климата водоем пересыхал, концентрация солей и сульфатов в воде стремительно возрастала. Диатомовые водоросли, не приспособленные к такой солености, массово погибали. В это же время из перенасыщенного раствора начали активно выпадать кристаллы гипса. Они формировались вокруг мертвых клеток, блокируя к ним доступ кислорода и тем самым предотвращая их органическое разложение.

Так, процесс кристаллизации сыграл роль естественного фиксатора, навсегда сохранив структурные формы водорослей в толще породы.

Анализ липидных биомаркеров и изотопов углерода

Морфологических признаков (формы окаменелостей) часто бывает недостаточно для подтверждения биологического происхождения находок, так как ДНК и белки со временем полностью разрушаются. Поэтому основным инструментом ученых в подобных исследованиях становится поиск липидных биомаркеров. Липиды — это сложные жиры, составляющие основу клеточных мембран. Они обладают высокой химической стабильностью и могут сохраняться в геологических пластах миллионы лет.

Извлекая липиды из различных образцов (как из твердых строматолитов, так и из рыхлых донных отложений высохших прудов), ученые применили метод газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Им удалось идентифицировать конкретные химические соединения, характерные для цианобактерий, архей и диатомовых водорослей.

Особое внимание было уделено изотопному составу углерода в этих молекулах. В природе углерод существует в виде нескольких стабильных изотопов, чаще всего — легкого углерода-12 и более тяжелого углерода-13. Различные группы микроорганизмов используют разные метаболические пути для потребления углерода из окружающей среды, и каждый из этих путей оставляет свой специфический изотопный след (определенное соотношение углерода-13 к углероду-12).

Анализ показал, что микроорганизмы в верхних слоях гипса преимущественно используют цикл Кальвина — стандартный механизм фиксации углерода, характерный для фотосинтеза. В то же время в рыхлых отложениях и темных участках лагуны были обнаружены липиды со следами обратного цикла трикарбоновых кислот (rTCA). Этот путь используют микроорганизмы, которые получают энергию не от солнечного света, а за счет химических реакций окисления неорганических веществ. Это доказывает, что экосистема солончака строго дифференцирована в зависимости от доступности света и воды.

Парадокс сохранения и марсианские перспективы

Детальное изучение солончака Пахоналес дает важнейшие данные для поиска жизни за пределами Земли. Сегодня поверхность Марса — это холодная и сухая радиационная пустыня. Однако орбитальные аппараты и наземные роверы постоянно фиксируют присутствие мощных сульфатных отложений, в том числе гипса, в таких регионах, как кратеры Гейл и Езеро. Марсианские сульфаты образовались миллиарды лет назад в результате высыхания древних озер — процесс, полностью аналогичный тому, что происходил в Андах.

Исследование в Чили формулирует фундаментальный принцип астробиологии: между пригодностью среды для жизни и ее способностью сохранять биологические следы существует конфликт. Вода абсолютно необходима для поддержания активного клеточного метаболизма. Но в геологическом масштабе времени жидкая вода — это универсальный растворитель, который способствует разрушению любых органических молекул и стиранию биосигнатур.

И наоборот: экстремальная засуха делает невозможной активную жизнь, но именно она, сопровождаемая быстрой кристаллизацией сульфатов, обеспечивает идеальную консервацию липидов и клеточных текстур.

Эволюция марсианского климата предполагала длительный период высыхания планеты. Если на Марсе когда-либо существовала микробная флора, по мере исчезновения открытой воды она должна была локализоваться во все более соленых остаточных водоемах, а затем — внутри формирующихся кристаллов солей.

Результаты изучения гипсовых строматолитов Атакамы предоставляют специалистам четкие критерии для работы марсоходов. Чтобы найти следы марсианской жизни, исследователям следует ориентироваться не просто на древние русла рек, а на специфические микрослоистые сульфатные породы. Особое внимание необходимо уделять участкам кристаллов, где фиксируется локальное повышение концентрации кремния и железа. Как показал земной опыт, именно такая химическая и структурная конфигурация минерала обладает максимальным потенциалом для сохранения липидных биомаркеров — наиболее надежных химических свидетельств существования живых организмов.

Источник: Frontiers in Astronomy and Space Sciences