Исследователи анализируют, обладает ли гиперсоленая лагуна, расположенная на побережье Рио-де-Жанейро, характеристиками, схожими с прерывистыми озерами, обнаруженными на поверхности Марса. Чтобы помочь ответить на один из самых захватывающих вопросов космических исследований — может ли Марс поддерживать жизнь, подобную известной нам, — ученые из Лаборатории астробиологии (AstroLab), связанной с Институтом химии Университета Сан-Паулу (USP), используют бактерию Staphylococcus nepalensis (S. nepalensis).
Бактерия и ее экстремальная среда обитания
S. nepalensis, первоначально обнаруженная в 2003 году в пищеварительной системе коз в Непале, впоследствии была обнаружена в различных других организмах и средах, включая слюну домашних кошек и некоторые гиперсоленые озера в районе Араруама, штат Рио-де-Жанейро, где концентрация соли превышает концентрацию морской воды.
Благодаря своей замечательной способности выживать в такой суровой среде, эта бактерия является объектом изучения в экспериментах, воспроизводящих марсианские экстремальные условия, такие как так называемые прерывистые соляные растворы — небольшие потоки сильно соленой воды, которые временно появляются на поверхности Марса.
Изучение устойчивости к неблагоприятным условиям
Анализ того, как бактерия противостоит высоким уровням соли и резким изменениям солености, позволяет понять потенциал временных марсианских сред, таких как эти соляные растворы, удовлетворять минимальным требованиям для выживания экстремофильных микроорганизмов — живых существ, адаптированных к экстремальным условиям для большинства известных форм жизни.
В 2019 году исследовательская группа, связанная с AstroLab, обнаружила S. nepalensis в образцах, собранных в комплексе озер, охватывающем шесть муниципалитетов в Регионе Лагос на побережье штата Рио-де-Жанейро (RJ), который содержит самую большую массу постоянной гиперсоленой воды на планете. Бактерия была найдена конкретно в озере Брежу-ду-Эспиньо, соленом водоеме, соединенном с морем каналом, характеризующимся низкой средней глубиной, варьирующейся от 2 см до 2 м, что усиливает колебания солености в течение года.
Во время засушливых периодов концентрация соли значительно возрастает, а в дождливые сезоны резко падает. S. nepalensis продемонстрировала такую эффективную адаптацию к этим сезонным колебаниям, что стала ценной моделью для проверки того, как микробная жизнь могла бы поддерживаться в столь враждебном месте, как поверхность Марса.
Химия солей на Марсе
Хлорид натрия является наиболее распространенной солью на нашей планете, как и карбонат кальция, сульфат кальция и бикарбонат натрия. Ни одна из этих солей не обладает каотропией — свойством дезорганизовывать жизненно важные макромолекулы, такие как белки и ДНК, что привело бы к разрушению химических связей и потере биологической функции.
В отличие от этого, солевой состав Марса отличается. С 2008 года, благодаря миссии Phoenix, известно, что поверхность Марса содержит значительные количества перхлоратов — солей, необычных для Земли. Перхлораты кальция, магния и натрия, присутствующие на Марсе, являются высококаотропными. Однако одно свойство этих солей вселяет оптимизм: перхлораты, особенно магния и кальция, являются гигроскопичными, притягивая молекулы воды и резко снижая точку замерзания водных растворов.
Это может способствовать образованию соляных растворов на поверхности Марса, где средняя температура составляет приблизительно -60 °C, с колебаниями от -150 °C на полюсах до +20 °C возле марсианского экватора. Даже в небольших и прерывистых количествах эта гиперсоленая жидкая вода могла бы существовать во время лета планеты, что является обнадеживающим фактором для возможности существования какой-либо формы жизни там. Кроме того, экстремофилы, найденные в пустыне Атакама в Чили, используют перхлораты в качестве источника энергии, и эта пустыня рассматривается как аналог марсианской среды.
Летние циклы на Красной планете
Группа исследователей AstroLab изучает, как S. nepalensis может адаптироваться к марсианским условиям, используя свои механизмы для борьбы с воздействием перхлоратов. Основное внимание уделяется пониманию реакции микроорганизма на циклы прерывистых летних соляных растворов Марса, которые замерзают ночью и возвращаются в жидкое состояние днем.
Марсианские соляные растворы нестабильны. При повышении дневной температуры вода тает, становясь более доступной для биохимических реакций. Одновременно большее количество жидкой воды разбавляет соль, накопленную в соляном растворе. Когда наступает ночь и понижается температура поверхности, происходит обратное: растворы замерзают, уменьшая доступную жидкую воду и способствуя обезвоживанию и увеличению концентрации соли во льду. Эта нестабильность создает значительные биологические проблемы для известной жизни в короткие периоды.
Результаты экспериментов, неофициально названные «Лето на Марсе», могут указать, может ли адаптивная гибкость S. nepalensis, наблюдаемая в лагуне штата Рио, служить путем адаптации к марсианским экологическим стрессорам.
Генетические механизмы и адаптация
Помимо толерантности к большим колебаниям солености, S. nepalensis также изучается за ее способность осуществлять горизонтальный перенос генов устойчивости к антибиотикам к Staphylococcus aureus (S. aureus) — виду того же рода, присутствующему на коже и в дыхательных путях человека и других животных.
В отличие от S. nepalensis, S. aureus может вызывать серьезные инфекции и является объектом исследований из-за своей смертоносности в некоторых случаях. Горизонтальный перенос генов вызывает особую озабоченность, поскольку он может повысить устойчивость S. aureus к существующим методам лечения. Этот механизм происходит в пределах одного поколения, позволяя приобретать новые характеристики без зависимости от генетического наследования нескольких поколений, ускоряя адаптацию к селективным экологическим стрессам.
Исследователи AstroLab также изучают генетику S. nepalensis, чтобы раскрыть молекулярные механизмы, лежащие в основе этой адаптивной способности, с целью определения того, какие гены активируются, когда бактерия подвергается воздействию таких стрессоров, как высокие концентрации перхлоратов и экстремальные колебания солености. Результаты этих исследований должны углубить знания о обитаемости Марса и возможных способах адаптации микробной жизни к экстремальным условиям на других небесных телах.
