Мышьяк и микробы вечной мерзлоты помогают в поиске жизни на Марсе

Исследование сред, похожих на марсианские, и их микробных экосистем, может помочь биологам подготовиться к поиску следов жизни в космосе. В самых удаленных уголках Земли ученые изучают, как жизнь сохраняется в форме крошечных микробов, обитающих в нишах, смертельных для большинства земных организмов.

Эти выносливые микроорганизмы, существующие за счет токсичных веществ, таких как мышьяк, или в бескислородных зонах, метаболизируют пищу и питательные вещества совершенно иначе, чем большинство растений, животных и людей. Некоторые из них двигаются и метаболизируют так медленно, что до недавнего времени ученые даже не считали их живыми. Суровые условия их обитания схожи с марсианскими, и углубление понимания работы этих микробных сообществ позволит астробиологам лучше идентифицировать признаки внеземной жизни.

Доктор Амедеа Перфумо из Немецкого исследовательского центра геонаук (GFZ) руководит финансируемым ЕС проектом BIOFROST, изучающим, как организмы выживают в глубокой биосфере земной вечной мерзлоты, где температуры ниже нуля, а кислород отсутствует. «Эти бескислородные и замерзшие условия чрезвычайно важны для космических исследований. Это аналог Марса, — говорит она. — Речь идет о поиске пределов жизни на Земле в условиях, максимально приближенных к космическим, чтобы лучше интерпретировать данные, которые могут быть получены в ходе космических миссий».

Проект BIOFROST сосредоточен на создании аналитического конвейера, где информация о живых бактериях (их количество, активность и взаимодействие) извлекается из осадка вечной мерзлоты и собирается на специальном фильтре с покрытием из золота и платины. Для этого используются передовые методы, включая NanoSIMS и наноспектроскопию.

Изучаемые микробы вечной мерзлоты развили уникальные адаптации к замерзшим бескислородным зонам. Их метаболизм настолько замедлен, что лишь современные технологии позволили обнаружить, что они живы. Однако такая специализация имеет свою цену: любые изменения температуры могут быть для них фатальными. В предыдущих экспериментах доктор Перфумо обнаружила, что при повышении температуры всего на 5 °C бактерии погибали, демонстрируя очень низкую толерантность к изменениям условий.

В высокогорных Андийских озерах Аргентины исследователи в рамках проекта ASLIFE изучают другой тип экстремофилов — бактерии, выживающие при высоких концентрациях мышьяка. Эти озера содержат на 4–5 порядков больше мышьяка, чем рекомендованный ВОЗ предел для питьевой воды (10 микрограмм на литр). Условия здесь имитируют жизнь на доисторической Земле, а ландшафт напоминает марсианский.

Микробы, подобные изучаемым доктором Марией Санчо-Томас, используют мышьяк в своих метаболических системах, преобразуя минерал в энергию. Исследователи анализируют керны грунта и соскобы со строматолитов — древних структур, созданных микроорганизмами миллиарды лет назад. Образцы изучают на синхротроне SOLEIL во Франции, чтобы понять внутренние процессы этих организмов.

Цель — установить, могут ли определенные изотопы мышьяка служить биосигнатурами — химическими индикаторами наличия жизни. В таком случае, ученые смогут искать аналогичные сигнатуры на других планетах. Параллельно разрабатываются новые методы транспортировки и изучения таких микробов, что пригодится для сохранения возможных внеземных образцов.

Изучение экстремофилов имеет и практическое применение на Земле. Доктор Перфумо работает над адаптацией ферментов и биосурфактантов от холодолюбивых бактерий для снижения температурных требований в промышленных процессах. Доктор Санчо-Томас и ее коллеги создают высокодетальную карту распространения «любящих» мышьяк бактерий в Андах, что может помочь в определении загрязненных мышьяком районов по всему миру. В перспективе эти бактерии могут быть использованы в качестве биоремедиаторов для очистки окружающей среды от загрязнителей.