Подледная микробная жизнь на Земле и за ее пределами

Поиски жизни за пределами Земли очаровывают многих и порождают серьезные вопросы: действительно ли мы одиноки во Вселенной? Уникальна ли наша Земля? Возможно ли, что жизнь за пределами Земли на самом деле может быть далека от маленьких зеленых пришельцев и намного ближе к микробной жизни, с которой мы делим нашу планету?

Одноклеточные организмы были первыми формами жизни, которые развились на Земле миллиарды лет назад и существовали гораздо дольше, чем люди и другие многоклеточные организмы. Они также метаболически разнообразны и могут процветать в средах, которые мы, люди, считаем экстремальными, например, на дне океана, в горячих гидротермальных жерлах, в чрезвычайно соленых озерах и даже в скалах.

Европа — ледяной спутник Юпитера.

Первое место, где можно искать жизнь за пределами Земли, — это наша Солнечная система, где расстояния между нами и потенциально обитаемыми мирами все еще могут быть управляемыми для пролетов космических кораблей и даже миссий по отбору проб. Венера, Марс и многие спутники Юпитера и Сатурна представляют интерес для астробиологов, хотя Европа, один из 95 спутников Юпитера, является особенно многообещающим миром-кандидатом. Европа — это ледяной океанический мир, где шлейфы воды бьют из океана под толстой ледяной коркой.

Хотя температура поверхности постоянно опускается ниже -220°F, Европа волнует многих астробиологов как возможное место для жизни в нашей солнечной системе из-за ее подледного океана. Вода важна для обитания на планете жизни, какой мы ее знаем; Полярный растворитель, такой как вода, необходим для биохимических реакций, которые управляют всей жизнью на Земле, а также может обеспечить термически стабильную среду обитания для жизни и развития организмов.

Наряду с водой, углерод является еще одним важным строительным элементом жизни, какой мы ее знаем. Все основные макромолекулы жизни основаны на углероде: сахара, белки, ДНК и липиды состоят из атомов углерода, расположенных в различных формах, включая кольца, листы и цепи.

В сентябре 2023 года две независимые группы ученых обнаружили, что твердый углекислый газ (CO2) на поверхности Европы, скорее всего, происходит из ее подледного океана, поскольку его расположение на поверхности совпадает с геологическими особенностями, указывающими на перенос материала подо льдом. .

Одна команда также выдвинула гипотезу, что океаны окислены — химическое состояние, которое поддерживает нынешнюю биосферу Земли и, таким образом, способствует обитаемости жизни, какой мы ее знаем. Хотя ученым не удалось окончательно определить источник CO2 на Европе, подтверждение того, что углерод существует на Европе, разожгло огонь астробиологов, которые считают, что здесь может существовать микробная жизнь.

Признаки жизни, такие как органический углерод и вода, широко известны как биосигнатуры, химические или физические маркеры, которые требуют биологического происхождения. Хотя ни одной биосигнатуры недостаточно, чтобы утверждать жизнь в далеком мире, обнаружение множества дополнительных биосигнатур на таких телах, как Европа, может укрепить аргумент в пользу того, что жизнь в той или иной форме может существовать за пределами Земли.

От Европы до Антарктиды: изучаем подледные микробы

Европа, как площадка микробиологических полевых исследований, практически недостижима — она находится на расстоянии более 390 миллионов миль и непостижимо холодна. Как же тогда мы можем определить, сможет ли жизнь выжить в условиях Европы? Одна из идей — изучить земные аналоговые объекты — экстремальные условия на Земле, условия которых имитируют условия далеких миров.

Охарактеризовав микробную жизнь в этих экосистемах, мы можем получить представление о том, как жизнь может сохраняться в местах, совершенно негостеприимных для большинства других форм жизни. Изучение аналоговых сайтов также может дать нам представление о том, какие виды биосигнатур могут быть важны в различных средах, и помочь понять, что исследователи ищут в данных, поступающих в результате будущих миссий, направляющихся в Европу.

Джилл Микаки, ​​доктор философии, доцент Университета Теннесси в Ноксвилле, изучает одно такое место-аналог: Кровавый водопад, особенность, которая окрашивает конечную точку ледника Тейлор в сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде. Там соленая подледниковая экосистема подземных вод вытекает на поверхность железосодержащий рассол. Железо окисляется при контакте с воздухом, окрашивая вытекающую соленую воду в ржаво-красный цвет и придавая Кровавому водопаду жуткий вид и соответствующее название.

«Работать и разбивать лагерь в сухих долинах кажется чем-то потусторонним», — сказал Микуки. «Он может быть очень тихим… пронзительным. Но если ветер усилится, он может зареветь».

Привлекательность Кровавого водопада как аналога отчасти обусловлена ​​его уникальными гео- и гидрологическими особенностями. «Я думаю, что Кровавый водопад — отличный аналог для изучения мира океана, потому что это одно из немногих мест, где жидкость перемещается из-подо льда на поверхность», — объяснил Микуки. «Кроме того, он соленый, поэтому он похож на мини-океанский мир, который время от времени выплескивает аликвоты подледной жидкости и ее микробное содержимое».

Эти особенности напоминают европейские шлейфы, бьющие изо льда. «В Кровавом водопаде мы можем изучить, на что похожа жизнь подо льдом, что включает в себя переход на поверхность и что такое выживание на поверхности», — сказал Микуки.

В 2009 году Микуки и его коллеги опубликовали статью, в которой подробно описывается, как микробы под ледником Тейлора могут перерабатывать серу и использовать железо в качестве конечного акцептора электронов — роль, которую кислород играет для многих организмов на поверхности Земли.

Этот вид метаболизма происходит в анаэробных условиях (когда кислород ограничен), что может происходить в некоторых средах, когда фотосинтезирующие организмы, производящие O2, отсутствуют. Эта экосистема погребена глубоко подо льдом и, возможно, была изолирована от внешнего мира более 1 миллиона лет.

Микуки работает над подледной средой более двух десятилетий, но до сих пор ошеломлена некоторыми открытиями, сделанными ею и ее командой. Например, подо льдом микробные клетки растут очень медленно, и на деление, возможно, уходит год или больше.

«Все до сих пор не дает мне покоя», — засмеялась она. «Интересно, как долго этот рассол находился в ловушке под ледником Тейлора — и как, где и при каких обстоятельствах он возник. Как эти микробные сообщества сохранились в этом физическом и химическом путешествии?» Может ли жизнь сохраняться аналогичным образом на Европе? Жюри еще не вынесено, но предпринимаются попытки собрать больше данных.

Будущие миссии в Европу

В ближайшие десятилетия мы сможем лучше рассмотреть Европу с помощью двух миссий: JUICE Европейского космического агентства (Jupiter Icy Moons Explorer) и Europa Clipper НАСА. В то время как миссия JUICE, запущенная в апреле 2023 года, направлена ​​на изучение Европы и двух других спутников Юпитера, миссия НАСА Clipper (запуск запланирован на октябрь 2024 года) будет сосредоточена на Европе.

Цель «Клиппера» — измерить толщину ледяной корки и обмен между поверхностью и океаном, а также изучить состав и геологию Европы. Два космических корабля должны достичь своих целей в 2030-х годах, а затем начать сбор и отправку данных.

Возможность того, что жизнь существует за пределами Земли – и что она вполне может сильно отличаться от той, что мы имеем здесь – одновременно захватывающая и унизительная. Если мы никогда не найдем жизнь за пределами Земли, это будет означать, что то, что произошло здесь, было необычайно особенным. Если мы это сделаем, это может перевернуть с ног на голову то, что мы знаем о жизни, и показать нам, что мы не одиноки в огромном космосе.

Информация от: Американским обществом микробиологии.