Как бактерии могут помочь колонизировать Луну и Марс

Человечество всегда стремилось познать не только самые таинственные уголки Земли, но и удивительные объекты и явления за ее пределами. Еще недавно колонизация другой планеты была не более чем мечтой футурологов и фантастов, однако сейчас огромные темпы развития космической отрасли дают четко понять, что это лишь вопрос времени.

Микроорганизмы Sphingomonas desiccabilis, растущие на базальтовых скалах, были выбраны для космического эксперимента вместе с тремя другими типами микробов. Источник: BioRock UK Centre for Astrobiology/ University of Edinburg

Так, при создании базы на Луне или Марсе может возникнуть необходимость извлекать ресурсы на месте, а не доставлять их с Земли. В решении этой проблемы поможет технология добычи полезных ископаемых с помощью микробов. 

Использование микроорганизмов для горных работ — обычное дело на Земле. Сегодня при их участии добывается 20% меди в мире. Но можно ли такую технологию использовать во внеземных условиях? Последние исследования ученых позволяют утверждать, что это вполне реально.

Особенности среды Марса и Луны

Температурные режимы Луны сильно отличаются в зависимости от селенографической широты. Днем возле лунного экватора температура достигает +120°C, а ночью опускается до -130°C. Самая низкая температура была зарегистрирована на дне кратера Эрмит (-250°C). 

Сонячний вітер міг відіграти значну роль в утворенні води на Місяця

На Луне крайне разреженная атмосфера (газовые оболочки такого типа ученые называют экзосферами), содержащая не свойственные Земле компоненты — например, газообразные калий и натрий. Сила тяжести на поверхности нашего естественного спутника в 6 раз меньше земной. 

Некоторые участки Луны богаты оксидом железа и оксидом титана. Скалы и реголит на 42% состоят из кислорода. Поверхность нашего спутника подвергается постоянному воздействию солнечного ветра, она очень сухая, но на полюсах присутствует вода в виде льда (более 600 млн м³).

В отличие от Луны Марс имеет меньший температурный диапазон — от -150°C до +30°C. Он характеризуется резкими суточными, сезонными и широтными колебаниями. Атмосфера Красной планеты очень тонкая и почти в 150 раз более разреженная, чем земная — ее давление у поверхности в среднем составляет 0,6% от давления на уровне моря на Земле. Она содержит 96% углекислого газа, до 2% аргона и 2% азота, а также водяной пар и другие газы в следовых количествах. Ускорение свободного падения на Марсе на 62,5% меньше, чем на нашей планете. Радиация на ареоцентрической орбите в 2,5 раза превышает ее уровень на околоземной, не говоря уже об интенсивном космическом облучении марсианской поверхности.

В геологическом отношении Марс и Земля имеют много общих черт, в первую очередь — большинство горных пород этих планет принадлежат к магматическим (базальтам). Красный цвет Марса обусловлен наличием на его поверхности большого количества окислов железа. Фактически все марсианские минералы, идентифицированные на данный момент, встречаются также на Земле. Жидкая вода на соседней планете обычно нестабильна, поэтому постоянные водоемы (реки, озера, моря) там отсутствуют. В районе ее экватора поверхность считается сухой и свободной от жидкой или замерзшей воды, а вот на полюсах скапливаются полярные шапки из водяного льда и твердого углекислого газа (сезонные).

Есть ли на Земле участки, похожие на Марс 

Конечно, сравнивать условия Земли с условиями Марса и Луны — это примерно то же самое, что искать общее между курицей и жаворонком, однако некоторые места с экстремальными характеристиками можно найти и на нашей планете. К примеру, полярная пустыня Антарктиды, как и Марс, очень холодная и сухая. Для нее характерна низкая влажность (всего 50 мм осадков в год над полярным плато), сильные ветры, повышенный уровень ультрафиолетового излучения. Минимальная зарегистрированная температура земной поверхности в Восточной Антарктиде составляет примерно -98°C, поэтому шестой континент часто используется в качестве полигона для испытания космических технологий и техники с целью имитации внеземных условий. 

Сухие долины Антарктиды

Другим примером аналогов марсианской среды на Земле является Исландия, где имеются базальтовые породы с высоким содержанием железа и действующие вулканы среди ледников. Пустыню Атакама в Чили сравнивают с Красной планетой из-за очень сухого климата и похожего минерального состава, пустыни в Аризоне — из-за базальтового вулканизма со стратифицированными породами, а Гавайи — благодаря наличию больших базальтовых щитовых вулканов, похожих на марсианский Olympus Mons (вулканический конус Олимп — самая высокая гора Солнечной системы).

Микроскопические «экстремалы»

Маленькими «помощниками» в освоении других планет и спутников могут стать земные экстремофильные микроорганизмы (археи, бактерии, микроскопические грибы, водоросли, протозоа). Эти живые организмы способны существовать в самых экстремальных условиях нашей планеты — от жарких сухих пустынь Африки, Азии, Америки до холодных арктических пустынь Арктики и Антарктиды. Даже такие, казалось бы, непригодные для жизни экологические ниши, как гейзеры, «черные курильщики» (гейзеры в местах разлома тектонических плит на океанском дне), радоновые источники, солончаки достаточно комфортны для жизни экстремофилов. Диапазон жизнеспособности этих существ чрезвычайно широк и действительно поражает.

Тяжелые металлы в высокой концентрации ядовиты почти для всех живых организмов, но не для бактерии C. metallidurans, которая «научилась» выделять из среды следовые количества ценных элементов без вреда для себя, формируя из них крохотные гранулы

Бурное развитие исследований экстремофилов началось после открытия Томасом Броком (Thomas Brock) в 1969 году палочки Thermus aquaticus, выделенной из кипящего гейзера Йеллоустонского национального парка. Оптимальной температурой для ее роста является +79°С. Среди экстремофилов чаще всего различают «любителей острых ощущений», а именно: психрофилов (холодолюбов) и термофилов (теплолюбов), ацидофилов (устойчивых к кислой среде) и алкалофилов (обожают щелочную среду), ксерофилов (устойчивых к засухе), барофилов (обитателей среды с высоким давлением) и осмофилов (живущих при высоких значениях осмотического давления), радиорезистентных (выдерживающих ионизирующее и УФ-излучение) и металлорезистентных организмов (устойчивых к тяжелым металлам и их солям), а также других «экстремалов», сопротивляющихся действию широкого спектра токсичных веществ. Очень часто такие живые существа сочетают в себе устойчивость к нескольким различным экстремальным факторам, то есть являются полиэкстремофилами и обладают уникальными биохимическими механизмами защиты. 

Среды существования полиэкстремофилов, процветающих в условиях нескольких крайностей — прекрасные модели для потенциальной внеземной среды. Яркими представителями таких полиэкстремофилов являются сероокислительные бактерии, обитающие в кислом гидротермальном жерле под высоким давлением в бассейне Гуаймас (Калифорнийский залив), психрофильные галотолерантные (солестойкие) бактерии вечной мерзлоты Сибири и барофилы — обитатели скованных льдом озер Арктики и Антарктиды.

Cupriavidus metallidurans CH34 на базальтовой поверхности

Конечно, на Земле найдены микроорганизмы-полиэкстремофилы не со всеми возможными комбинациями стойкости к жестким условиям. Однако бурное развитие генной инженерии способно помочь в конструировании живых существ со сверхвозможностями, которые в дальнейшем потенциально будут полезны при колонизации планет и их спутников. Искусственно спроектированные организмы, вероятно, помогут в добыче полезных ископаемых, зондировании окружающей среды, производстве пищевых продуктов, топлива и строительных материалов.

В 2020 году в журнале Nature Communications была опубликована статья, в которой ученые экспериментально показывают потенциал бактерий в добыче полезных ископаемых в условиях гравитации, близкой к марсианской. Их «аппетит» к различным породам земной поверхности известен давно и успешно используется человечеством при биодобыче различных веществ, в частности драгоценных металлов. Способность микроорганизмов «лакомиться» определенными минералами используют в очистке загрязненных грунтов и вод (так называемая биоремедиация). Все эти таланты могут быть использованы в космических миссиях. Кроме добычи полезных ископаемых, маленьких помощников можно привлечь к формированию почвы на спутниках или планетах, выработке «биокорки» для контроля пыли в замкнутом пространстве, производству биотоплива из космического реголита и т.д.

Биопленка Bacillus subtilis

Известно, что измененные условия гравитации — и, очевидно, микрогравитация — влияют на рост микроорганизмов и их метаболизм (обмен веществ). Хотя способность бактерий непосредственно ощущать гравитационные изменения является предметом обсуждения, однако опосредованное воздействие все же происходит из-за изменений в процессах осаждения и перемешивания жидкостей (смешивание питательных веществ и отходов).

С целью проверки влияния различных значений гравитации на возможности «грызущих камни» бактерий был поставлен эксперимент под названием BioRock. Опыты проводились в 2019 году Европейским космическим агентством на МКС в условиях невесомости. Астронавты исследовали способность трех штаммов бактерий Sphingomonas desiccabilis, Bacillus subtilis и Cupriavidus metallidurans к биодобыче элементов из базальта (тип вулканической породы, часто встречающейся на Луне и Марсе).    

Участник экспедиции на МКС итальянец Лука Пармитано устанавливает реактор для биовыщелачивания на центрифугу, имитирующую гравитацию

Все три штамма соответствовали следующим критериям: были устойчивыми к высушиванию, могли расти на твердых поверхностях и/или образовывать биопленки, а также взаимодействовать с поверхностью горных пород и/или быть способными к биовыщелачиванию химических элементов (биодобыча). Для опыта взяли типичные штаммы, выделенные в разных локациях, а именно — вид Sphingomonas desiccabilis из грунтовых корок на плато Колорадо, Bacillus subtilis, встречающийся повсюду, в том числе и на камнях, и Cupriavidus metallidurans из горных местностей и среды, загрязненной металлами.

Миниатюрный биореактор специально разработали для испытаний в космосе. Он содержал базальтовые породы из Исландии (Гуфунес, Рейкьявик), очень похожие по химическому составу на базальты Луны и Марса. Пластины этих пород погружали в разные бактериальные растворы в течение 21 дня, а разная гравитация моделировалась с помощью центрифуги. В эксперименте сравнивали биовыщелачивание 14 редкоземельных элементов в условиях микрогравитации, а также смоделированной марсианской и земной гравитации. Самой успешной в «шахтерском деле» оказалась бактерия Sphingomonas desiccabilis, которая прекрасно «добывала» редкоземельные металлы из базальта при всех значениях гравитации.   

Базальтовая пластина з нанесенными на нее спорами Bacillus subtilis

Этот эксперимент показал эффективность взаимодействия бактерий с минералами и успешную биодобычу полезных ископаемых в условиях космоса, что стало еще одним шагом к достижению мечты о постоянном присутствии человека вне Земли. Возможность извлекать различные металлы из пород Луны и Марса значительно облегчит колонизацию этих космических объектов, позволит в будущем строить колонии без дополнительных усилий на транспортировку ресурсов с Земли. Вероятно, все эти планы-мечты вскоре станут вполне реальными с помощью одной из самых древних форм земной жизни — бактерий. 

Поэтому не будем терять надежды на то, что однажды человечество сумеет колонизировать другие планеты и, как в рассказах «Марсианские хроники» легендарного Рэя Брэдбери, обычное семейство сможет открыть свою сосисочную на Марсе для космических туристов. А пока мы движемся вперед с новыми удивительными открытиями и наслаждаемся невероятной планетой Земля!

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine

Sierra Space взорвала еще один прототип надувного модуля
Лунную базу может защитить от обломков каменная стена
Как обнаружить дипфейки: астрономы предлагают искать отблеск звезд в глазах
Космический корабль Starliner разглядели в телескоп во время стыковки с МКС: фото
12 световых лет от Земли: James Webb сфотографировал экзопланету у близкой звезды
Следующий удар будет последним: микрометеороид пробил корпус космического телескопа стоимостью 800 млн долларов
Китайский зонд нашел на Луне воду
Прошлое воскресенье оказалось самым жарким днем ​​в истории Земли
Как от Земли до Луны: астрофотограф запечатлел огромный протуберанец
Изображение от украинского любителя стало фото дня в NASA