Новое исследование микробов расширяет известные пределы жизни на Земле и за ее пределами

Новое исследование, проведенное учеными Стэнфордского университета, предсказывает, что жизнь может сохраняться в чрезвычайно соленой среде, за пределами ранее считавшихся возможными.

Исследование, опубликованное 22 декабря в журнале Science Advances, основано на анализе метаболической активности тысяч отдельных клеток, обнаруженных в рассолах промышленных прудов на побережье Южной Калифорнии, где вода испаряется из морской воды для сбора соли. Результаты расширяют наше понимание потенциального обитаемого пространства во всей нашей Солнечной системе, а также возможных последствий того, что некоторые земные водные среды обитания станут более солеными в результате засухи и отвода воды.

«Мы не можем искать повсюду, поэтому нам нужно тщательно обдумать, где и как мы пытаемся найти жизнь на других планетах», — сказала старший автор исследования Энн Декас, доцент кафедры системных наук Стэнфордской школы устойчивого развития Дорра. . «Наличие как можно большего количества информации о том, где и как жизнь выживает в экстремальных условиях на Земле, позволяет нам расставлять приоритеты для миссий по обнаружению жизни в других местах и ​​увеличивает наши шансы на успех».

Ученые, заинтересованные в обнаружении жизни за пределами Земли, уже давно изучают соленую среду, зная, что жидкая вода необходима для жизни, а соль позволяет воде оставаться жидкой в ​​более широком диапазоне температур. Соль также может сохранять признаки жизни, как соленые огурцы в рассоле. «Мы думаем, что соленые места — хорошие кандидаты для поиска признаков прошлой или настоящей жизни», — сказала ведущий автор исследования Эмили Пэрис, доктор философии. студент факультета наук о системе Земли, работающий в лаборатории Декас. «Соль может быть тем самым, что делает другую планету пригодной для жизни, хотя она также является ингибитором жизни в высоких концентрациях на Земле».

Новое исследование является частью большого сотрудничества под названием «Океаны в пространстве и времени», возглавляемого профессором Корнелльского университета Бритни Шмидт и финансируемого Программой астробиологии НАСА, которая объединяет микробиологов, геохимиков и планетологов. Их цель: понять, как океанские миры и жизнь одновременно развиваются, создавая заметные признаки жизни, прошлой или настоящей. Понимание условий, которые делают океанский мир пригодным для жизни, и разработка более эффективных способов обнаружения сигналов биологической активности — это шаги к предсказанию того, где можно найти жизнь в других частях Солнечной системы.

Пэрис говорит, что мы также должны учитывать, как изменение солености влияет на экосистемы здесь, на Земле. Например, снижение уровня воды в Большом Соленом озере штата Юта вызвало повышение солености, что может повлиять на жизнь на всех этапах пищевой цепи.

«Помимо перспективы обнаружения жизни, понимание воздействия солености важно для сохранения и устойчивости на Земле», — сказал Пэрис. «Наше исследование показывает, как повышение солености меняет состав микробного сообщества и скорость микробного метаболизма. Эти факторы могут влиять на круговорот питательных веществ, а также на жизнь ракообразных и насекомых, которые являются важными источниками пищи для перелетных птиц и других водных животных.

Самые соленые воды на Земле

Путешественники, пролетающие над соляными прудами, такими как соляные заводы Саут-Бэй, где были собраны образцы для этого исследования, или вдоль залива Сан-Франциско, могут увидеть калейдоскоп некоторых из самых ярких микробов Земли, светящихся неоново-зеленым, ржаво-красным, розовым и оранжевым. Лоскутное одеяло цветов отражает множество водных микробов, приспособленных к выживанию при различных уровнях солености, или то, что ученые называют «активностью воды» — количеством воды, доступной для биологических реакций, которые позволяют микробам расти.

«Нам любопытно узнать, в какой момент активность воды становится слишком низкой, соленость становится слишком высокой и где микробная жизнь больше не может выжить», — сказал Пэрис. Морская вода имеет уровень активности воды около 0,98 по сравнению с 1 для чистой воды. Большинство микробов перестают делиться при уровне активности воды ниже 0,9, а самый низкий уровень активности воды, который, как сообщается, поддерживает деление клеток в лабораторных условиях, составляет чуть более 0,63.

В новом исследовании ученые предсказали новый предел жизни. По их оценкам, жизнь может быть активной даже на уровне 0,54.

Ученые из Стэнфорда объединились с коллегами со всей страны, чтобы собрать образцы из соляных заводов Саут-Бэй, где находятся одни из самых соленых вод на Земле. Они наполнили сотни бутылок рассолом из прудов с разным уровнем солености на соляных заводах, а затем отвезли их обратно в Стэнфорд для анализа.

Находить жизнь быстрее

Предыдущие исследования, направленные на определение предела активности воды в жизни, использовали чистые культуры для поиска точки, в которой деление клеток прекращается, отмечая конечную точку жизни. Но в этих экстремальных условиях жизнь удваивается мучительно медленно. Если исследователи полагаются на деление клеток как на тест, позволяющий определить момент прекращения жизни, они сталкиваются с многолетними лабораторными экспериментами, которые непрактичны для аспирантов, таких как Пэрис. Даже когда исследования деления клеток проводятся, они не указывают на то, когда умирает жизнь; действительно, клетки могут быть метаболически активными и при этом вполне живыми, даже когда не реплицируются.

Поэтому Пэрис и Декас изучали микробы из соляных прудов под открытым небом, чтобы определить другой предел жизни — предел клеточной активности.

Исследовательская группа внесла три ключевых улучшения в предыдущие исследования. Во-первых, вместо использования чистых культур, которые являются стандартным лучшим предположением ученого о том, какой конкретный вид или штамм микроба будет наиболее устойчивым, они обратились к реальной экосистеме. На соляных заводах окружающая среда естественным образом подбиралась для сложного сообщества организмов, лучше всего приспособленных к конкретным условиям.

Во-вторых, исследователи использовали более гибкое определение жизни. Признаком жизни они считали не только деление клеток, но и их построение. «Это немного похоже на наблюдение за тем, как человек ест или растет. Это признак активной жизни и необходимый предшественник репликации, но наблюдать гораздо быстрее», — сказал Декас.

В сотнях образцов рассола — некоторые из них были настолько солеными, что были густыми, как сироп — они определили уровень активности воды и сколько углерода и азота было включено в клетки, обнаруженные в рассолах. Благодаря этому подходу они смогли обнаружить, когда клетка увеличила свою биомассу всего на половину 1%. Напротив, традиционные методы, ориентированные на деление клеток, могут обнаружить биологическую активность только после того, как клетки примерно удвоили свою биомассу. Затем, основываясь на том, как этот процесс замедлялся по мере снижения активности воды, ученые предсказали, что отключение его вообще прекратится.

В-третьих, в то время как другие ученые измеряли включение углерода и азота в рассолы на массовом уровне, команда из Стэнфорда провела поклеточный анализ с помощью редкого прибора под названием nanoSIMS – одного из немногих в стране. Этот чувствительный метод позволил им наблюдать активность отдельных клеток среди других «маринованных» клеток, присутствие которых могло бы скрыть сигнал активности при массовом анализе, и достичь их низкого предела обнаружения.

«Анализ активности отдельных клеток в образцах окружающей среды все еще довольно редок», — сказал Декас. «Это было ключом к нашему анализу, и по мере его более широкого применения, я думаю, мы увидим достижения в микробной экологии, которые имеют широкое значение, от понимания глобального климата до здоровья человека. Мы все еще только начинаем понимать микробный мир на ранних стадиях». одноклеточный уровень».

Информация от: Стэнфордским университетом