Инопланетяне глазами науки

Однако даже если микробы могут выжить в ледяных головах комет или в кусках льда на земле, замороженные микроорганизмы не могут существовать вечно. Излучение, вызванное либо радиоактивностью горных пород, либо космическими лучами, струящимися с неба, повреждает ДНК и за миллионы лет убивает микробы. Даже при очень низких температурах для восстановления ДНК и замены старых аминокислот была бы нужна метаболическая активность на очень низком уровне. Тем не менее, существует много интересных примеров бактерий, которые оставались живыми на протяжении целых эпох в сибирской вечной мерзлоте. Эти замечательные выживальщики практически ничего не делали на протяжении 3 миллионов лет, и это происходило при температуре 15 градусов по Фаренгейту ниже 0, без солнечного света, без воздуха и без свежей пищи. Даже при температуре 24 градуса по Фаренгейту (-4 градуса по Цельсию) у бактерий всё ещё происходит обмен веществ. Вместо того чтобы размножаться, они находятся на грани между жизнью и смертью, пока проходят эпохи, а цивилизации возникают и гибнут. Если такие существа возникли на Земле естественным образом, есть вероятность существования форм жизни в различных мирах с полярными льдами (например, Меркурий, наша Луна и Марс) и в мирах, покрытых большим количеством льда (например, на различных спутниках Юпитера, Сатурна и других внешних планет, а также на кометах и астероидах).

Мы можем многое узнать о холодолюбивых организмах, изучая существ, обитающих в подземных антарктических озёрах. Учёный из НАСА Дейл Андерсен исследовал дно озера Хоар в Антарктиде, просверлив отверстия во льду. Он обнаружил там водорослевые маты, похожие на примитивную жизнь, которая господствовала на Земле 3 миллиарда лет назад. На окружающей суше он также нашёл водоросли, бактерии, лишайники и мхи, которые цепляются за жизнь в долине, которая достаточно холодная и сухая, чтобы стать моделью Марса. Если на Марсе есть жизнь или ископаемые остатки жизни из более ранней, более влажной истории этой планеты, то она может напоминать эти антарктические колонии. По мере того как мы всё больше узнаём о жизни в Антарктике, НАСА может воспользоваться этой информацией для улучшения проектирования космических аппаратов-роботов, которые занимаются поиском марсианской жизни.

В регионах с кратковременными циклами замерзания/оттаивания и суточными колебаниями температуры, составляющими до 72 градусов по Фаренгейту (40 градусов по Цельсию), также существуют несколько антарктических организмов. Одним из таких существ является Heteromita globosa, гетеротрофный жгутиконосец. {22} В этих условиях также существуют не менее 24 видов простейших (одноклеточных организмов с ядрами) и некоторые кустистые лишайники и мхи. Многие организмы, обитающие в морском льду Антарктики, которые обычно растут при температуре 28 градусов по Фаренгейту (-2 градуса по Цельсию), плохо себя чувствуют при подъёме температуры выше 36 градусов по Фаренгейту (2 градуса по Цельсию). Некоторые любители холода гибнут, когда их нагревают до комнатной температуры, потому что их мембраны не выдерживают высокой температуры. При стабильно низкой температуре моря жгутиконосцы утратили способность синтезировать некоторые компоненты мембран, возможно, липиды или жирные кислоты, что делает невозможным их рост при более высоких температурах. {23}

22

У земных существ есть два источника углерода: неорганические соединения и органические соединения. Бактерии, которые используют в качестве источника углерода неорганическое соединение углекислый газ, называются автотрофами. Бактерии, которым требуется органический источник углерода вроде сахаров, белков, жиров или аминокислот, называются гетеротрофами. Многие гетеротрофы, такие как Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, синтезируют все части своих клеток из простых сахаров типа глюкозы, поскольку эти организмы способны использовать все необходимые пути биосинтеза. Другие гетеротрофы утратили некоторые из этих путей биосинтеза и для роста им нужны определённые аминокислоты, азотистые основания или витамины в неизмененном состоянии, присутствующие в их среде обитания.

23

Подробнее о психрофилах см. Smith (1984), Cowling and Smith (1987) и Hughes and Smith (1989).

Ацидофилы — любители кислоты

В своём романе «У критической точки» американский писатель Хол Клемент рассказывает об инопланетянах, которые живут в серной кислоте. Смогли бы инопланетяне действительно жить в кислоте настолько сильной, что она обжигала бы нашу кожу при малейшем прикосновении? До самого недавнего времени были известны лишь четыре земных организма, все из числа эукариот, которые растут в чрезвычайно кислой среде, где значение рН близко к 0. Это Cyanidium caldarium и три гриба: Acontium cylatium, Cephalosporium sp. и Trichosporon cerebriae. Это не означает, что внутреннее содержимое их клеток кислое. Фактически, Cyanidium поддерживает рН своей внутренней среды близким к нейтральному. В 1995 году были обнаружены два ацидофильных прокариота: Picrophilus oshimae и P. Torridus; оба вида — термофильные археи, обнаруженные в Японии, в сольфатарах, естественных источниках испарений, в которых сернистые газы смешиваются с горячим паром. {24} На Земле есть множество примеров простейших и грибков, живущих при чуть более умеренных значениях рН, — например, те, что благоденствуют в желудках некоторых животных.

24

Подробнее об ацидофилах см. Brock (1978) и Schleper et al. (1995).

Относительная кислотность или щелочность раствора указывается по шкале рН, которая является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Нейтральные растворы имеют рН 7,0. Значение рН менее 7,0 указывает на кислотность (повышенную концентрацию ионов водорода), а выше 7,0 — щелочность (пониженную концентрацию ионов водорода). Многие важные молекулярные процессы внутри живых клеток протекают в очень узком диапазоне рН. Следовательно, чтобы жить, клетки должны регулировать внутренний уровень рН. Уровень рН может локально отличаться в пределах организма; однако у большинства тканей он находится в пределах одной единицы рН от нейтрального значения.

Хотя в этом разделе мы уделяем особое внимание эукариотам, я хотел бы оставить комментарий в отношении нескольких ацидофильных бактерий. Многие из бактерий растут в диапазоне значений рН, близких к нейтральным, от 5,0 до 8,0, хотя немногие виды бактерий приспособились к жизни в более кислых или щелочных условиях. Например, когда в ходе горных работ угольные пласты подвергаются воздействию воздуха, залежи пиритного сульфида железа подвергаются атаке Thiobacillus ferrooxidans, которая вырабатывает серную кислоту и снижает рН до 2,0 или даже до 0,7. Этот организм может выдерживать высокие концентрации ионов железа, меди, кобальта, никеля и цинка, и кислотность до pH 1,3. Многие бактерии процветают в кислых болотах, сосновых лесах и озёрах с рН от 3,7 до 5,5. Любитель кислой среды Sulfolobus acidocaldarius обладает высокой устойчивостью к кислотам, которые достаточно сильны, чтобы разъесть вашу кожу за считанные секунды.

Алкалофилы — любители щёлочи

Озеро Накуру, африканское содовое озеро с рН около 10, — это дом для многочисленных форм жизни. На озере Накуру живут миллионы фламинго, которые питаются цианобактериями вроде спирулины, растущей в озере. Каждый день фламинго сбрасывают в озеро 15,6 тонны фекалий и мочи в сухом весе, которые дают питание стабильному урожаю прокариот, не относящихся к цианобактериям. В озере также процветают двадцать различных гетеротрофных (бактерии, нуждающиеся в органическом источнике углерода — см. примечание 8) видов простейших и три вида коловраток (многоклеточных водных беспозвоночных). {25}

25

Подробнее об алкалофилах см. Curds et al. (1986), Finlay et al. (1987) и Kroll (1990).

Галофилы — любители соли

Может ли инопланетная форма жизни существовать в чрезвычайно солёной воде? Уровень солёности — это количество растворённых солей, которые присутствуют в воде. Природные воды различаются по солёности — от почти чистой воды, лишённой солей (например, талая снеговая вода), до насыщенных растворов в солёных озёрах вроде Мёртвого моря, в котором концентрация соли составляет примерно 332 части на тысячу. Экстремальная солёность Мёртвого моря исключает большую часть животной или растительной жизни, за исключением галофильных (солелюбивых) бактерий. Рыба, занесённая туда Иорданом или более мелкими ручьями во время наводнения, погибает мгновенно. Если не считать растительности вдоль рек, растительный мир состоит в основном из галофитов — растений, произрастающих на солёной или щелочной почве. Такие экстремальные галофилы, как представители рода Halobacterium, демонстрируют оптимальный рост при 20-30-процентном содержании соли и распадаются при снижении этого уровня солёности. Такие бактерии встречаются в Мёртвом море и даже на солёных рыбе и шкурах.

В сверхсолёных водах обитают очень разнообразные одноклеточные существа, в частности, диатомовые водоросли и жгутиконосцы. Африканские содовые озёра вроде озера Накуру также являются сверхсолёными и при наличии достаточного количества пищи могут обеспечить существование очень разнообразной микробной популяции. Существует также множество видов галофильных и галотолерантных водорослей.

Основной проблемой, с которой сталкиваются галофилы, является контроль их осмотического давления — давления, вызываемого поступлением воды внутрь живого организма и из него. Без такого контроля они могли бы терять воду, уходящую в окружающую среду. Естественная тенденция заключается в том, что вода перетекает из мест, где её концентрация выше, в места, где её концентрация ниже. Я экспериментировал с морскими червями, механизм реакции которых позволяет им вначале набухать, когда они брошены в воду с низкой концентрацией соли, а потом спадаться, когда они брошены в воду с высокой концентрацией соли. Если изменения солёности незначительны, черви могут регулировать расход воды, пытаясь вернуть своим телам нормальный объём. Организм гораздо меньшего размера, Dunaniella salina, синтезирует внутриклеточный глицерин в высокой концентрации, чтобы уравновесить внешнее осмотическое давление. {26}

26

Чтобы получить дополнительную информацию о галофилах, см. Rothschild et al. (1994), Gilmour (1990), Grant (1991) и Brown (1990).

Барофилы — любители давления

Вполне возможно, что инопланетяне могли бы жить в условиях экстремального давления. На Земле мы знаем, что инфузории могут выдерживать циклическое изменение давления от одной до трёх атмосфер в минуту без каких-либо вредных последствий, а на континентальном шельфе, по крайней мере, на глубине 6560 футов (2000 м), существуют многочисленные сообщества эукариот. Поскольку сложные позвоночные обитают в самых глубоких океанах, вполне вероятно, что при наличии достаточного количества пищи гетеротрофные эукариотные микробы встречаются даже на больших глубинах. С другой стороны, многие организмы, обитающие на поверхности, не могут выдержать высокого давления: например, амёбы с увеличением давления теряют способность образовывать псевдоподии (выпячивания). Когда амёбы подвергаются давлению в 6000 фунтов (2720 кг) на квадратный дюйм, они фактически превращаются в крошечные сферы и остаются совершенно неподвижными. {27}

27

Подробнее о барофилах см. Bruun (1977), Marsland (1977) и Douglas (1996).

В 1997 году учёные из Японского морского научно-технологического центра в Нацушима Йокосука, Япония (см. примечание 8), обнаружили новый вид морского червя, обитающий на глубине 21 000 футов (6500 м) вблизи дна Японского жёлоба в западной части Тихого океана, где давление в 650 раз выше, чем на уровне моря. Тело червя прозрачно, что позволяет легко разглядеть его внутренние органы. Также в 1997 году были обнаружены другие замечательные морские черви, обитающие в Мексиканском заливе на глубине всего 1640 футов (500 м). Эти ледяные черви являются частью ранее неизвестной глубоководной экосистемы, которая включает грибовидные выходы гидрата метана — разновидности льда, образующегося в иле морского дна. Окружающая среда потенциально очень ядовита, поскольку в этом регионе в воду просачиваются пропан, этан, сульфиды и сырая нефть. К удивлению учёных, на выходах метана были обнаружены сотни плоских безглазых розовых червей, копошащихся на их поверхности.