Суперспособности микроорганизмов: как бактерии переносят условия, близкие к космическим

Иногда мы даже не подозреваем, что некоторые земные существа способны выживать в космосе. Мы привыкли считать, что наша планета — это оазис, где бурлит жизнь, происходят постоянные эволюционные процессы, возникают новые виды, а за ее пределами существование живых организмов невозможно. Но одна из гипотез возникновения земной жизни, известная как гипотеза панспермии (с греч. πᾶν — «весь», «всякий» и σπερμία — «семя»), базируется на возможности занесения живых существ, в частности, спор микроорганизмов, из космоса. Естественным путем вместе с падением на Землю метеоритов, астероидов и комет, вероятно ее «заражение» жизнью.

Как жизнь могла попасть на Землю из космоса

Первые упоминания о такой возможности встречались еще в произведениях греческого философа Анаксагора (V век до н.э.). Детально эта гипотеза была обоснована в трудах шведского физика, химика и астрофизика Сванте Аррениуса (лауреат Нобелевской премии по химии 1903 года). С помощью расчетов он подробно расписал возможность переноса спор бактерий с планеты на планету под действием давления света (электромагнитного излучения). С другой стороны, некоторые земные микроорганизмы-экстремофилы, живущие в экстремальных условиях окружающей среды, не перестают удивлять. К примеру, известная бактерия с суперспособностями Deinococcus radiodurans совершенно не боится ни радиации, ни высушивания, ни вакуума. Она способна выдерживать дозу облучения в 5000 Гр практически без потери жизнеспособности и 15 000 Гр — при 37% жизнеспособности, тогда как для человека доза в 5 Гр смертельна. Механизмы устойчивости к радиации заключаются в уникальной способности бактерии быстро «ремонтировать» поврежденную ДНК, а также в наличии нескольких копий своей генетической информации. Эти экстремофилы синтезируют специальные белки, обеспечивающие целостность генетического материала, устойчивость к ультрафиолетовому (УФ) и вообще высокоэнергетическому излучению, и вдобавок противодействующие агрегации (слипанию) белков клетки под действием экстремальных факторов — в частности, при высушивании. Защищаться от окислительного стресса, возникающего при радиационном воздействии на живые системы, бактериям Deinococcus radiodurans помогают высокоактивные ферменты каталаза и супероксиддисмутаза, а также более высокое соотношение внутриклеточного марганца к железу, чем у чувствительных к радиации микроорганизмов.

Изображения клеток бактерии Deinococcus radiodurans, полученные с помощью сканирующей (первый и третий ряд) и трансмиссионной электронной микроскопии. Два верхних образца побывали в условиях открытого космоса на околоземной орбите, два нижних — остались на Земле в качестве контрольных

Похожие сверхспособности проявляют и другие живые существа на Земле. Например, существенно повлияли на развитие астробиологии эксперименты EXPOSE (2008-2015 гг.), после которых ученые гипотетически допустили возможность межпланетных путешествий спорообразующей бактерии Bacillus subtilis, лишайников (Stichococcus sp, Trichoderma sp, Acarospora sp), семян растений и стойких к высоким температурам неспорообразующих бактерий Deinococcus geothermalis. Эти живые организмы успешно выдерживали комплекс враждебных факторов, характерных для открытого космоса, а именно: галактическое космическое и солнечное ультрафиолетовое излучение, экстремальный вакуум, колебания температур, высушивание, замерзание и микрогравитацию. 

Японский модуль МКС «Кибо» (слева) и оборудование для экспериментов по экспозиции образцов клеток и материалов в условиях открытого космоса (внизу)

Интересные результаты получили ученые в рамках космической миссии Tanpopo по программе научных исследований на МКС. Обезвоженные клетки Deinococcus radiodurans в течение года (с мая 2015 по май 2016) находились за бортом орбитального комплекса под влиянием факторов открытого космоса. Бактерии укладывали в лунки в алюминиевых пластинах, накрывали кварцевыми фильтрами (для защиты от разрушительного ультрафиолета с длиной волны менее 200 нм) и размещали в оборудовании PSI 5 для моделирования космических условий, оснащенном пластиной контроля температуры. В течение года они подвергались воздействию ультрафиолета (200-315 нм) в количестве 3,1×10³ кДж/м², общей космической радиации 250-298 мГр, колебаниям температуры от -21±5°C до +23,9±5°C, давления от 10⁻⁷ до 10⁻⁴ Па и нулевой влажности.

Размещение биологических образцов в герметичном контейнере Trex-Box (размером 13,5×13,5×5,0 см) из нержавеющей стали з одним сквозным отверстием, обеспечивающим сообщение с окружающей средой. А — кварцевые диски с микробными образцами, размещенные на Trex-Box, В — покрытие образцов супрасиловым стеклом для обеспечения полной экспозиции УФ-светом, С — винты для герметизации контейнера, D — земная атмосфера заменяется смесью газов, похожей на атмосферу Марса

После возвращения образцов на Землю оказалось, что бактерии Deinococcus radiodurans благополучно выжили. С помощью сканирующего электронного микроскопа удалось установить, что в течение экспозиции в космосе они образовали везикулы на поверхности своих клеток, а количество белков, отвечающих за внутриклеточный транспорт, и ферментов протеаз значительно возросло — это могло быть ответом бактерий на стресс. Для защиты от активных форм кислорода в клетках увеличилась концентрация ферментов каталаз и путресцина, предотвращающих повреждение клеточных компонентов. Бактерии Deinococcus radiodurans сфокусировались на механизмах восстановления и «ремонта» поврежденных участков ДНК. Таким образом, после года нахождения в космосе этот вид эффективно использовал различные молекулярные стратегии для выживания в, казалось бы, несовместимых с жизнью космических условиях.

Прибор MARSBOx для изучения живых организмов в условиях, близких к марсианским

В сентябре 2019 года ученые развернули исследования потенциала выживания различных микроорганизмов в условиях, подобных марсианским. Объектами исследований были бактерии Salinisphaera shabanensis (выделенные с глубины 1,3 км в Шабанской впадине Красного моря, где максимальная соленость достигает 26%), Buttiauxella sp (выделены из бескислородного, бедного питательными веществами сульфидного источника в Германии), Staphylococcus capitis subsp. capitis и споры микроскопического гриба Aspergillus niger . Последние два вида микроорганизмов условно-патогенные для человека: гриб Aspergillus niger может вызывать респираторные заболевания, особенно в закрытых помещениях, а бактерия Staphylococcus capitis subsp. capitis — инфекции у новорожденных. Оба они ранее были обнаружены на МКС. Их помещали в специально сконструированный герметичный контейнер Trex-Box из нержавеющей стали и заполняли его смесью газов, напоминающих марсианскую атмосферу. Контейнер с биологическим материалом укладывали в прибор MARSBOx (Microbes in Atmosphere for Radiation, Survival and Biological Outcomes Experiment) с датчиками и закрепляли на высотном научном аэростате NASA. Воздушный шар достигал высоты 38 км, где уровни радиации близки к зарегистрированным в экваториальных областях Марса. Обезвоженные микроорганизмы подвергались воздействию УФ-излучения в дозе 1148 кДж/м² или же были защищены от него фильтрами. После пяти часов экспозиции в стратосфере биологические образцы тщательно изучались. Споры гриба Aspergillus niger и клетки Salinisphaera shabanensis оказались наиболее стойкими. Бактерия Buttiauxella sp была полностью инактивирована, а микроорганизм Staphylococcus capitis subsp. capitis выжил только под защитными ультрафиолетовыми фильтрами.

Полученные данные указывают на выживаемость различных микроорганизмов, ассоциирующихся с космическими кораблями, в условиях, близких к марсианским. Результаты подтверждают гипотезу о том, что пигментированные микроскопические грибы могут быть устойчивы к условиям поверхности Марса в случае их ненамеренной доставки туда межпланетными аппаратами, поэтому они являются наиболее вероятными контаминантами, способными «загрязнить» Красную планету.  

Эксперимент MARSBOx осуществляется с сентября 2019 года. Специальный контейнер для него поднимают в стратосферу на высотном аэростате. Он доставляет различные типы микроорганизмов в область пространства, где условия внешней среды напоминают марсианские

Не так уж давно эти данные могли показаться какими-то фантастическими выдумками футурологов, однако сегодня возникает вопрос необходимости тщательной стерилизации космических кораблей и их оборудования, чтобы не воплотить в реальность теорию техногенной панспермии — «заражение» планет земными формами жизни через межпланетные аппараты и сопутствующие объекты. Только тогда, возможно, мы или наши потомки сможем исследовать другие планеты в их первозданной красоте… а может быть, и нашу красавицу Землю с ее до сих пор неизведанными океаническими глубинами, полярными пустынями и высокими горами.

Ви также можете почитать о том, как бактерии могут помочь колонизировать Луну и Марс.

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

Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine

Новый квантовый компьютер установил рекорд скорости действия
Blue Origin демонстрирует технологию вертикальной посадки ракеты New Glenn: видео
Космическое кольцо: астрономы сфотографировали гиперсветящуюся галактику
Похищение «Луны-2»: как ЦРУ разузнали секреты советской космической программы под носом у КГБ
Ученые обнаружили недалеко от Солнца невероятно быстрый объект
Галактика-конструктор: телескоп Hubble сфотографировал необычного соседа Млечного Пути
Астронавты будут оставаться на борту МКС во время падения в атмосферу Земли
Не замечали 55 лет: пенсионер обнаружил ошибку в старой видеоигре Lunar Lander
Новый солнечный цикл уже мог начаться
Ученые нашли способ предсказывать самые тяжелые магнитные бури