Микробы в глубоководных вулканах помогают учёным узнать о зарождении жизни на Земле и, возможно, о жизни за пределами нашей планеты.

от

Люди давно задаются вопросом, какой была первая жизнь на Земле и существует ли жизнь в нашей Солнечной системе за пределами планеты.

Учёные имеют основания полагать, что некоторые спутники в нашей Солнечной системе — например, Европа у Юпитера и Энцелад у Сатурна — могут иметь глубокие солёные жидкие океаны под ледяной коркой. Подводные вулканы могут нагревать океаны этих спутников и обеспечивать основные химические вещества, необходимые для жизни.

Подобные глубоководные вулканы на Земле поддерживают микробную жизнь, которая обитает внутри твёрдой породы без солнечного света и кислорода. Некоторые из этих микробов, называемые термофилами, живут при температурах, достаточных для того, чтобы вскипятить воду на поверхности. Они питаются химическими веществами, выходящими из действующих вулканов.

Поскольку эти микроорганизмы существовали до появления на Земле фотосинтеза и кислорода, учёные считают, что глубоководные вулканы и микробы могли напоминать самые ранние среды обитания и жизнь на Земле и за её пределами.

Чтобы определить, может ли существовать жизнь за пределами Земли на этих океанских мирах, НАСА отправило космический аппарат «Кассини» на орбиту Сатурна в 1997 году. Агентство также отправило три космических аппарата на орбиту Юпитера: «Галилео» в 1989 году, «Юнона» в 2011 году и, совсем недавно, «Европа Клиппер» в 2024 году. Эти космические аппараты пролетали и будут пролетать близко к Энцеладу и Европе, чтобы измерить их пригодность для жизни с помощью набора инструментов.

Однако для того, чтобы интерпретировать данные, которые они собирают, учёным-планетологам необходимо сначала понять, как функционируют подобные среды обитания и как в них существует жизнь на Земле.

Лаборатория микробиологии в Университете Массачусетса в Амхерсте изучает термофилов из горячих источников в глубоководных вулканах, также называемых гидротермальными источниками.

Учёный-практик

Я вырос в Спокане, штат Вашингтон, и на мой дом выпал слой вулканического пепла толщиной более дюйма, когда в 1980 году взорвалась гора Сент-Хеленс. Это событие привело к моему увлечению вулканами.

Несколько лет спустя, во время учёбы в колледже по специальности «океанография», я собирал образцы из горячих источников горы Сент-Хеленс и изучал термофила из этого места. Позже я собирал образцы в гидротермальных источниках вдоль подводного вулканического горного хребта, расположенного в сотнях миль от побережья Вашингтона и Орегона. Я продолжаю изучать эти гидротермальные источники и их микробы почти четыре десятилетия.

Подводные пилоты собирают образцы, которые моя команда использует из гидротермальных источников с помощью обитаемых подводных аппаратов или дистанционно управляемых аппаратов. Эти аппараты опускаются в океан с исследовательских судов, где учёные проводят исследования 24 часа в сутки, часто в течение нескольких недель.

Собранные образцы включают породы и нагретые гидротермальные жидкости, которые поднимаются из трещин в морском дне. Подводные аппараты используют механические манипуляторы для сбора пород и специальные пробоотборники и мешки для сбора гидротермальных жидкостей. Подводные аппараты обычно остаются на морском дне около суток, прежде чем вернуть образцы на поверхность. Они совершают несколько погружений на морское дно за каждую экспедицию.

Внутри твёрдой породы морского дна гидротермальные жидкости с температурой до 350 °C смешиваются с холодной морской водой в трещинах и порах породы. Смесь гидротермальной жидкости и морской воды создаёт идеальные температуры и химические условия, необходимые термофилам для жизни и роста.

Когда подводные аппараты возвращаются на корабль, учёные, включая мою исследовательскую группу, начинают анализировать химический состав, минералы и органические материалы, такие как ДНК, в собранных образцах воды и пород.

Эти образцы содержат живые микробы, которые мы можем культивировать, поэтому мы выращиваем интересующие нас микробы во время нахождения на корабле. Образцы дают представление о том, как микробы живут и растут в своей естественной среде.

Вернувшись в мою лабораторию в Амхерсте, моя исследовательская группа выделяет новые микробы из образцов гидротермальных источников и выращивает их в условиях, имитирующих природные. Мы кормим их вулканическими химическими веществами, такими как водород, углекислый газ, сера и железо, и измеряем их способность производить соединения, такие как метан, сероводород и магнитный минерал магнетит.

Кислород обычно смертелен для этих организмов, поэтому мы выращиваем их в синтетических гидротермальных жидкостях и в герметичных трубках или в больших биореакторах без кислорода. Таким образом, мы можем контролировать температуру и химические условия, необходимые для их роста.

Из этих экспериментов мы ищем отличительные химические сигналы, которые производят эти организмы, которые космические аппараты или инструменты, приземляющиеся на внеземных поверхностях, потенциально могут обнаружить.

Мы также создаём компьютерные модели, которые наилучшим образом описывают, как, по нашему мнению, эти микробы растут и конкурируют с другими организмами в гидротермальных источниках. Мы можем применить эти модели к условиям, которые, как мы думаем, существовали на ранней Земле или на океанских мирах, чтобы увидеть, как эти микробы могли бы существовать в таких условиях.

Затем мы анализируем белки термофилов, чтобы понять, как эти организмы функционируют и адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды. Вся эта информация помогает нам понять, как жизнь может существовать в экстремальных условиях на Земле и за её пределами.

Помимо предоставления полезной информации учёным-планетологам, исследования термофилов имеют и другие преимущества. Многие белки термофилов являются новыми для науки и полезны для биотехнологии.

Лучший пример этого — фермент, называемый ДНК-полимеразой, который используется для искусственного воспроизведения ДНК в лаборатории с помощью полимеразной цепной реакции. ДНК-полимераза, впервые использованная для полимеразной цепной реакции, была очищена из термофильной бактерии Thermus aquaticus в 1976 году. Этому ферменту необходима термостойкость для работы метода репликации.

Моя лаборатория и другие изучают, как термофилы можно использовать для разложения отходов и производства коммерчески полезных продуктов. Некоторые из этих организмов растут на отработанном молоке с молочных ферм и на сточных водах пивоварен — материалах, которые вызывают гибель рыбы и мёртвые зоны в прудах и заливах. Микробы производят биоводород из отходов — соединение, которое можно использовать в качестве источника энергии.

Гидротермальные источники — одни из самых удивительных и необычных сред на Земле. С ними окна в первую жизнь на Земле и за её пределами могут находиться на дне наших океанов.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте

Оставьте комментарий