Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

проект Extreme Microbiome, которым руководит Скотт Тиге из Вермонтского университета, работа Кастхури Венкатесварана в NASA и исследования, проводимые в лаборатории Мейсона в медицинском колледже Вейля при Корнеллском университете. Полученные ими результаты позволяют не только оценить условия, в которых способны выживать земные бактерии, но и выявить биохимические механизмы, сделавшие их жизнь возможной. Когда мы полностью поймем эти биологические функции и способы адаптации, можно подумать об их переносе в другие системы, например в организм человека или других существ, которых мы отправим на другие планеты.

Экстремофилы обитают по всей Земле в самых разных экосистемах и подвергаются воздействию множества стрессовых факторов, в частности высоким или низким температурам (термофилы/психрофилы), высокому давлению (барофилы или пьезофилы), высокой солености (галофилы), повышенному/пониженному уровню pH (алкалифилы/ацидофилы), сильной радиации (радиофилы). Бактерии-эндолиты выживают в микроскопических полостях глубоко в земных породах. Именно в таких укрытиях, скорее всего, стоит искать жизнь на Марсе и других небесных телах. Вполне возможно, что жизнь на Земле началась с термофилов, обитавших близ гидротермальных источников на дне океана (черных курильщиков). Сегодня такие организмы встречаются в гейзерах и тех же гидротермальных источниках, в том числе глубоководных. В данном случае уместно упомянуть Pyrococcus fumaris – доказано, что эта бактерия способна размножаться при температуре 113 ℃ близ стенок черного курильщика. В черных курильщиках в Китае обитают археи, способные выжить при температуре 400 ℃. Их обмен веществ основан на хемосинтезе, они выделяют сероводород.

Психрофилы приспособились к холоду, поэтому хорошо чувствуют себя в арктическом и антарктическом климате. Как показала работа Пабуло Рампелотто, их белки богаты глицином, сохраняют повышенную гибкость, меньше взаимодействуют друг с другом и представлены более мелкими фрагментами – все это помогает избежать замерзания. В 2014 г. Кристнер с коллегами описал археи, обитающие в Антарктике, которым для выживания требуются лишь ионы аммония и метан. Возможно, они на протяжении миллионов лет существовали при полном отсутствии солнечного света и ветра. Такие организмы вполне выжили бы на Титане.

Радиофилы выдерживают высокие дозы радиации (как космических лучей, так и ядерного происхождения). Настоящий «микросупермен» – дейнококк (Deinococcus radiodurans) сохраняет жизнеспособность при дозах до 5000 Гр, а Thermococcus gammatolerans выживает даже при дозах до 30 000 Гр. Оба этих микроорганизма можно найти в охлаждающей воде атомных станций. Подобно Супермену, имеющему множество суперспособностей, эти бактерии выдерживают низкие температуры, обезвоживание, вакуум и даже высокую кислотность. Поэтому их называют полиэкстремофилами, которым нипочем любой стресс.

К 2201 г. будут практически полностью каталогизированы все варианты адаптации и потенциала земной жизни. Станет понятен генетический источник способностей экстремофилов, и появится возможность наделения ими других организмов. Подобные идеи тестируются уже сейчас (например, у нас в лаборатории делаются попытки внедрять гены тихоходок в человеческие клетки для повышения их устойчивости к радиации). Эти способности можно интегрировать в клетки человека с помощью искусственных мини-хромосом. Такой подход обеспечит долговременную устойчивость к факторам среды, позволит избежать изменения защищаемого человеческого генома и даже удалять эти адаптации впоследствии. Продвинутая система генетической модификации откроет путь к узконаправленной модификации в нужный момент. Экспедиции к дальним планетам и спутникам, в частности к Титану, начнутся к 2250 г., и для этого потребуются новые способы видеть, новые источники света и энергии.

Модифицированный свет и существование во тьме

Биоритмы, регулирующие циклы сна и бодрствования, называются циркадными. Возможно, поддерживать циркадные ритмы окажется проще, если искусственное освещение, при котором нам придется жить, будет напоминать солнечный или лунный свет. Технология, позволяющая получать свет с нужной длиной волны с точностью до нанометра, обеспечит рост растений, контроль над микроорганизмами, а людям поможет работать. Чем дальше мы будем уходить от родной планеты, тем сложнее будет отыскать нужный свет.

Квантовые точки – это миниатюрные нанометровые кристаллы, которые (в зависимости от размера) излучают свет разных оттенков. Они появились в результате технологического прорыва в полупроводниковой индустрии и теперь позволяют воспроизводить весь спектр цветов. В этой области работает, например, компания Nano-Lit Technologies под руководством Сары Морган. Сегодня квантовые точки используются в солнечных батареях, флуоресцентных биологических метках и даже в обычных лампах, устанавливаемых в больницах и офисах. Пилотные испытания квантовых точек уже проводились в нескольких модулях на МКС, чтобы улучшить быт и условия работы экипажа. Если планируется небольшая вылазка в окрестностях Земли, то для поддержания биоритмов вполне хватит имитации восходов и закатов. Но так ли необходима адаптация к стандартному земному циклу, если речь идет о суточных ритмах далекой планеты?

К счастью, на Земле много организмов, приспособившихся жить в полной темноте. Получилось у них – получится и у нас. Существа, обитающие в глубинах океана, прекрасно себя чувствуют в отсутствие солнечного света. Яркий пример – рыба-удильщик, имеющая отросток со светящейся за счет биолюминесценции приманкой перед пастью. В кромешной тьме в глубинах океана даже тусклый огонек притягателен. Как только добыча подплывает ближе, «охотник» ее заглатывает. Удильщик всего один из десятков известных видов, существующих уже 100–130 млн лет (по данным секвенирования митохондриальной ДНК) в темных и холодных морских глубинах. Следовательно, целые экосистемы существуют в полной темноте и ледяной воде (273 K) при солености 3–4 % намного дольше, чем люди.

Вероятно, под поверхностью Энцелада (спутника Сатурна) скрывается целый океан, в котором почти везде чрезвычайно холодно – примерно –173 ℃ (100 K), кроме тех зон, где из недр спутника вырываются плюмы разогретых силикатов. Там температура океана может достигать 87 ℃ (360 K), примерно как у гидротермальных источников на дне земных океанов. Согласно исследованиям Шона Сюя и его коллег, проведенным в 2015 г., плюмы из разогретых силикатов и соленой воды отлично подходят для зарождения и развития жизни.

Выводы о таком биологическом потенциале сделаны на основе изучения адаптаций, характерных для земных экосистем вокруг черных курильщиков, которые обычно располагаются на дне океана в зонах расхождения литосферных плит. Если на Земле это результат тектонической активности, то на Энцеладе аналогичный эффект возникает под действием притяжения Сатурна. В обоих случаях такие непрерывные планетарные пертурбации должны способствовать формированию жизни.

Вокруг гидротермальных источников на Земле в течение миллионов лет растут и развиваются целые экосистемы, благодаря которым возникают совершенно новые биоценозы и биохимические процессы. В них обитают такие организмы, как погонофоры – гигантские кольчатые черви. Температура в источниках может достигать 400 ℃ (673 K), а вокруг них кишит жизнь: различные ракообразные, моллюски и, конечно же, микробы. Эти микробы, возможно, в течение миллиардов лет существуют без солнечного света, используя хемосинтез. Они синтезируют органические вещества, окисляя неорганику. Пищей им служит водород из гидротермальных источников, сероводород и метан. Из этих молекул они черпают жизненную энергию.

Эти глубоководные микроорганизмы даже образуют симбиозы, как и животные, обитающие на суше. Интересно, например, питаются гигантские трубчатые черви рифтии (Riftia pachyptila), живущие у черных курильщиков. Внутри этих червей обитают гамма-протеобактерии, пользующиеся их защитой. Эти бактерии синтезируют органические соединения, благодаря чему трубчатые черви обходятся без пищеварительной системы. Поскольку сера присутствует только в перегретой воде источников, а кислород – в окружающей холодной воде, бактерии получают все необходимое для жизни, не покидая тела хозяина. Именно благодаря таким тиоавтотрофам выживают трубчатые черви, и это прекрасный пример симбиоза, который можно взять в качестве модели для экосистем Титана или других миров.

Но достичь такой гармонии непросто. Сера спонтанно реагирует с кислородом, образуя оксиды, точно как железо спонтанно реагирует с кислородом – и в результате образуется ржавчина. Как правило, тиоавтотрофы могут существовать только на границе океана и атмосферы, т. е. в такой среде, где проще бороться с окислением серы. В глубинах океана подобная пограничная среда образуется в организме трубчатых червей, делая возможным их симбиоз с гамма-протеобактериями.

С учетом многообразия жизни в самых экзотических экосистемах Земли было бы удивительно не обнаружить ее признаков на Энцеладе или в других мирах, где есть вода в жидком состоянии. Даже если жизнь там не зародилась самостоятельно, некоторые земные экстремофилы смогли бы прижиться в новых условиях, если мы осторожно и целенаправленно принесем их туда.

Люди-прототрофы

По сравнению со многими экстремофилами и бактериями, способными самостоятельно