Микроорганизм, открытый в 2002 году в южноафриканской шахте, может послужить моделью распространения жизни в космической среде.
На Земле большинство растений и некоторые бактерии используют энергию солнечного света для создания сложных молекул органических веществ. Ту же солнечную энергию, но опосредованно, используют и животные, которые едят растения или друг друга. Организмы, усваивающие солнечную энергию самостоятельно, биологи называют автотрофами, а те, которые пользуются плодами чужого труда, гетеротрофами.
Помимо фотосинтеза автотрофы могут использовать хемосинтез, где в качестве источника энергии выступает не солнечный свет, а окислительно-восстановительные реакции с неорганическими веществами из природной среды. Хемосинтезом занимаются многие представители двух царств органического мира: бактерий и архей. В качестве источников энергии для них выступают, например, сероводород, аммиак, сера и ее соли, соединения железа.
Нельзя, правда, сказать, что все хемосинтезирующие организмы полностью независимы от Солнца. Например, бактерии, которые получают энергию, превращая аммиак в азотную кислоту, в качестве источника аммиака используют разлагающуюся органику – то есть животных или растения, которые зависели от солнечного света. Существуют подземные бактерии, которые живут за счет окисления сульфатов, но и им для такой химической реакции нужен кислород, который выработали фотосинтезирующие организмы.
Как правило, такие хемосинтезирующие организмы образуют вокруг своего источника питания экосистему из нескольких видов. Но главный герой нашего рассказа – та самая южноафриканская бактерия – одиночка. И представляет собой единственный пример вида, живущего в полной изоляции от остальной биосферы и не пользующегося ничем, что было бы произведено другими организмами.
История ее открытия началась в ЮАР, на золотодобывающей шахте Мпоненг. При работах на глубине 2,8 километра среди базальтовых пород наткнулись на водоносный слой. Вода эта проникла туда не менее 2,7 милиарда лет назад. Она довольно горячая (60° C), имеет сильнощелочную реакцию (рН 9,3) и богата различными минеральными примесями. В некоторых скважинах биологи нашли сообщества из микроорганизмов, получающих энергию за счет окисления сульфатов. Но результат пробы из одной скважины оказался неожиданным. Ученые проанализировали 2600 литров этой подземной воды и убедились, что там присутствует один-единственный вид бактерий, родственный бактериями из рода Desulfotomaculum.
Название для нее взяли из романа Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». Сюжет книги начинается с находки письма исландского ученого XVI века Арне Сакнуссена, которое заканчивалось словами: descende, audas viator, et terrestre centrum attinges – «спустись, отважный путник, и ты достигнешь центра Земли». Вот и бактерия, обитающая в подземных глубинах, была названа Desulforudis audaxviator.
Бактерия Desulforudis audaxviator представляет собой палочковидную бактерию размером примерно приблизительно 4 мкм. Ее геном составляют 2,35 миллиона пар нуклеотидов. Жить она способна только в бескислородной среде. А энергию получает из сульфат-ионов и водорода, находящихся в воде. Необходимый для бактерии водород выделяется из молекул воды и гидрокарбонатов под действием радиоактивного излучения горных пород. В первую очередь, источником этого излучения служит оксид урана (уранинит), а также радиоактивные изотопы тория и калия. Бактерия также умеет выделять из окружающей среды необходимые ей для жизни углерод (из ионов HCO2–, HCO3– и CO32–) и азот (из ионов аммония). Таким образом, живущая за счет энергии радиоактивного распада бактерия сохранится, даже если Солнце погаснет, из земной атмосферы исчезнет кислород, а все прочие живые организмы исчезнут.
Подобная самодостаточность бактерии заставила астробиолога и специалиста по вычислительной физике Димитру Атри (Dimitra Atri), работающего в Институте космических наук Блю Марбл в Сиэтле (Blue Marble Space Institute of Science), предположить, что подобный механизм может позволить бактериям выжить и в условиях космоса. В качестве источника ионизирующего излучения в данном случае будут выступать не радиоактивные горные породы, а галактические космические лучи, представляющие собой протоны или ядра различных химических элементов (от гелия до урана), которые летят через Вселенную с энергией до 1020 эВ. Источниками этих лучей служат преимущественно взрывы сверхновых звезд.
На Земле от действия космических лучей живые организмы защищены атмосферой и магнитосферой, но на других планетах атмосфера может быть значительно менее протяженной или вовсе отсутствовать, могут они не иметь и собственного магнитного поля. Поэтому, считает Димитра Атри, галактические космические лучи достигают поверхности этих небесных тел с энергией, достаточной, чтобы обеспечить существование организмов, подобных Desulforudis audaxviator. Расчеты, подкрепляющие эту гипотезу, Димитра Атри опубликовал в Journal of the Royal Society Interface.
Ближайшим к нам кандидатом на существование жизни, получающей энергию от космических лучей, Атри считает Марс. Его тонкая атмосфера не составляет серьезной преграды для этих лучей, а значит они смогут вызывать распад веществ в марсианских горных породах. Атри отмечает: «Забавно, что мы сейчас надеемся найти жизнь на планетах с очень плотной атмосферой, хотя для этих форм жизни нужно искать нечто противоположное».
Астробиолог из Университета Сент-Эндрюса Дункан Форган (Duncan Forgan) согласен с Атри отчасти. Он разделяет взгляды на Марс как на потенциальное место существования форм жизни, подобных Desulforudis audaxviator. В пользу этого, по мнению Форгана, свидетельствуют относительно стабильные температуры Марса и состав горных пород. Но на других планетах, которые получают слишком мало света своей звезды, по мнению Форгана, температура будет слишком низкой для существования любых форм жизни. К тому же в случаях слишком большой интенсивности космических лучей жизнь на планете тоже будет невозможна, так как они повреждают и сам организм бактерии.
Для проверки своей гипотезы Димитра Атри планирует воссоздать в своей лаборатории условия шахты Мпоненг и выяснить, как на Desulforudis audaxviator будут влиять различные уровни радиации, в том числе те, что характерны для Марса, Европы и других небесных тел.
