Зародилась ли жизнь на Марсе? Физика астероидных ударов доказала реальность межпланетной миграции микробов
Каждый год на Землю падают метеориты, химический состав которых говорит об их марсианском происхождении. Чтобы кусок марсианской породы оказался в космосе, на поверхность планеты должен упасть крупный астероид. Энергия столкновения выбивает часть грунта за пределы гравитационного поля Марса. Гипотеза литопанспермии предполагает, что если внутри такого выброшенного камня находились живые микроорганизмы, они могли бы пережить межпланетный перелет и оказаться на другой планете.
Долгое время эта идея сталкивалась с физической проблемой. Чтобы порода набрала скорость, достаточную для преодоления марсианской гравитации, она должна испытать огромное и очень быстрое механическое воздействие. Расчеты показывают, что давление в породе при таком сценарии достигает 5 гигапаскалей (ГПа) — это примерно в 50 тысяч раз больше нормального атмосферного давления на Земле. Ранее в научном сообществе доминировало мнение, что ни одна сложная биологическая структура не способна сохранить целостность при таких нагрузках.
Однако новое исследование, проведенное биологами и инженерами-механиками из Университета Джонса Хопкинса и опубликованное в научном журнале PNAS Nexus, доказывает обратное. Строго контролируемые физические эксперименты показали, что живая клетка обладает запасом прочности, достаточным для выживания при экстремальных перепадах давления.
Проблема баллистических экспериментов
Оценить влияние ударных волн на живые организмы оказалось технически сложной задачей. В предыдущих исследованиях ученые обычно помещали бактерии в жидкую среду или буферный раствор, а затем подвергали этот контейнер высокоскоростному удару с помощью баллистических пушек.
У такого подхода есть серьезный недостаток. Когда ударная волна проходит через жидкость, в ней возникают непредсказуемые деформации сдвига — слои вещества смещаются друг относительно друга с разной скоростью. В результате клетки рвутся на части не столько от самого давления, сколько от хаотичного движения среды. Измерить, какую именно нагрузку испытала конкретная бактерия в таких условиях, практически невозможно. Выживаемость микроорганизмов в этих опытах была крайне низкой, но оставалось неясным: убило ли их само давление или несовершенство экспериментальной установки.
Инженеры из Университета Джонса Хопкинса отказались от использования жидкостей и применили методы, которые обычно используются для тестирования прочности металлов и керамики. Они создали установку ударного сжатия, которая позволяет точно контролировать силу и направление воздействия.
Бактерии поместили на тончайшую поликарбонатную мембрану с микроскопическими порами. Этот образец зажали между двумя плоскими стальными пластинами. Затем в вакуумной камере по этой мишени ударил металлический диск, разогнанный газовой пушкой. Диск соударялся с мишенью под строго рассчитанным углом. Такая геометрия эксперимента полностью исключила хаотичные сдвиги. Образец получил равномерное гидростатическое сжатие — давление распределилось по бактериям идеально ровно со всех сторон. Длительность нагрузки составила всего одну микросекунду, после чего давление так же резко упало.
Пределы структурной прочности
Для эксперимента исследователи выбрали Deinococcus radiodurans. Это экстремофильная бактерия, известная своей способностью выживать при смертельных дозах радиации и полном высыхании. Ученые решили выяснить, поможет ли адаптация к одним экстремальным условиям перенести кратковременный механический удар.
Результаты испытаний резко разошлись с предыдущими представлениями о хрупкости жизни. При ударе, создающем давление в 1.4 ГПа, выжило 95% бактериальной популяции. Чтобы понять масштаб, достаточно сравнить эти данные с поведением кишечной палочки (Escherichia coli) в аналогичном диапазоне давлений — ее выживаемость падает в десятки тысяч раз.
По мере увеличения скорости снаряда росло и давление. На отметке 1.9 ГПа жизнеспособность сохранили около 90% клеток D. radiodurans. И только при давлении 2.4 ГПа выживаемость снизилась до 60%. Изучение образцов под электронным микроскопом показало, что лишь при максимальных нагрузках у части клеток начинает разрушаться внешняя оболочка и происходит выброс внутреннего содержимого.
Авторы исследования предложили физико-математическую модель, объясняющую этот феномен. Бактерию можно описать как сферическую оболочку, внутри которой находится жидкость. Сама по себе жидкость внутри клетки (преимущественно вода) почти не поддается сжатию. Поэтому в момент, когда давление мгновенно возрастает до гигапаскальных значений, клетка не сминается.
Настоящая угроза возникает через долю микросекунды, на этапе декомпрессии. Когда внешнее давление резко исчезает, накопленная в клеточной стенке упругая энергия стремится высвободиться, что может привести к разрыву оболочки изнутри. Модель показывает, что способность пережить этот момент зависит от толщины и жесткости клеточной стенки. D. radiodurans обладает уникальным защитным слоем из плотно упакованных белков на внешней стороне мембраны. Именно эта жесткая структура в сочетании с небольшим размером самой бактерии предотвращает механический разрыв при резком сбросе давления.
Реакция на уровне генов
Сохранить физическую оболочку — это лишь первое условие выживания. Даже если клетка не разорвалась, экстремальное воздействие оставляет в ней микроскопические повреждения. Ученым было важно понять, как именно бактерия реагирует на такой стресс в первые часы после удара.
Для этого исследователи извлекли выжившие при давлении 2.4 ГПа бактерии и провели анализ их РНК. Этот метод позволяет зафиксировать, какие гены клетка включает, а какие отключает в конкретный момент времени. До этого никто в мире не изучал генетическую реакцию организмов на столь быстрые и мощные перепады давления.
Анализ показал, что сразу после ударной декомпрессии D. radiodurans полностью останавливает процессы жизнедеятельности, не связанные напрямую с выживанием. Бактерия подавляет работу генов, которые отвечают за клеточное деление, рост, синтез углеводов и производство липидов.
Вместо этого клетка многократно усиливает активность генов, связанных с восстановлением повреждений. В первую очередь запускаются механизмы репарации ДНК, которые находят и сшивают разорванные участки генетического кода. Одновременно с этим бактерия начинает активно производить белки-транспортеры, задача которых — захватывать неорганические ионы из внешней среды и закачивать их внутрь. Больше всего клетка нуждается в железе. Оно служит необходимым компонентом для работы внутриклеточных ферментов, которые осуществляют ремонт структур.
Бактерия переходит в режим строгого восстановления и не возвращается к нормальному циклу деления до тех пор, пока клеточная стенка и генетический аппарат не будут полностью исправлены.
Переоценка биологических угроз в космонавтике
Данные о физической прочности микроорганизмов прямо сейчас они влияют на разработку протоколов безопасности для будущих космических миссий.
Одно из приоритетных направлений современных космических программ — доставка образцов грунта с других планет. Комитет по космическим исследованиям (COSPAR) устанавливает строгие правила: материалы, привезенные с Марса, классифицируются как потенциально опасные и требуют изоляции в лабораториях высшего уровня биологической защиты.
Особый интерес для инженеров представляет Фобос — спутник Марса. Технически посадить аппарат на Фобос и вернуть его на Землю гораздо проще и дешевле, чем осуществлять взлет с поверхности самого Марса. На Фобосе нет атмосферы, и он постоянно облучается космической радиацией. Из-за этого долгое время считалось, что любой материал, собранный там, будет абсолютно стерильным.
Однако Фобос находится близко к Марсу и миллиарды лет работает как ловушка для породы, которую выбивают с планеты падающие астероиды. Поверхность спутника покрыта марсианской пылью и осколками. Ранее предполагалось, что ударное давление, необходимое для выброса этих осколков с Марса на Фобос, гарантированно убивает любые организмы.
Исследование Университета Джонса Хопкинса доказывает несостоятельность этого предположения. Бактерии с прочной клеточной оболочкой способны выдержать давление более 2 ГПа, сохранив жизнеспособность. Это означает, что первоначальный механический удар не стерилизует марсианскую породу. Следовательно, грунт, который планируется доставить с Фобоса, должен проходить такие же строгие процедуры карантина, как и образцы, взятые непосредственно с поверхности Марса.
Экстремальные перепады давления, сопровождающие формирование планет и столкновения небесных тел, больше не могут считаться абсолютным препятствием для сохранения живых клеток. Биологические структуры оказались достаточно прочными, чтобы пережить силу метеоритного выброса.
Источник:PNAS Nexus
