Бактерії можуть допомогти колонізувати Місяць і Марс

Мікроорганізми Sphingomonas desiccabilis, що ростуть на базальтових скелях, обрали для космічного експерименту разом із трьома іншими типами мікробів. Джерело: BioRock UK Centre for Astrobiology/ University of Edinburg


Людство завжди прагнуло пізнати не лише найпотаємніші куточки Землі, а й дивовижні об’єкти та явища за її межами. Ще донедавна колонізація іншої планети була не більше ніж мрією футурологів і фантастів, однак зараз величезні темпи розвитку космічної галузі дають чітко зрозуміти, що це лише питання часу. Так, при створенні бази на Місяці чи Марсі може виникнути необхідність видобувати ресурси на місці, а не доставляти їх із Землі. У розв’язанні цієї проблеми допоможе технологія добування  корисних копалин за допомогою мікробів. Про це розповідає видання The Universe. Space. Tech.

Використання мікроорганізмів для гірничих робіт — звичайна справа на Землі. Сьогодні за їхньої участі видобувається 20% міді у світі. Але чи можливо таку технологію використати у позаземних умовах? Останні дослідження науковців дозволяють стверджувати, що це цілком реально.

Особливості середовища Марса та Місяця

Температурні режими Місяця дуже відрізняються в залежності від селенографічної широти. Вдень біля місячного екватора температура сягає +120°C, а вночі знижується до -130°C. Найнижча температура була зареєстрована на дні кратера Ерміт (-250°C).

Сонячний вітер міг відіграти значну роль в утворенні води на Місяця

На Місяці вкрай розріджена атмосфера (газові оболонки такого типу науковці називають екзосферами), що містить непритаманні Землі компоненти — наприклад, газоподібні калій і натрій. Сила тяжіння на поверхні нашого природного супутника в 6 разів менша за земну.

Деякі ділянки Місяця багаті на оксид заліза й оксид титану. Скелі та реголіт на 42% складаються з кисню. Поверхня нашого супутника піддається постійному впливу сонячного вітру, вона надзвичайно суха, але на полюсах присутня вода у вигляді льоду (понад 600 млн м³).

На відміну від Місяця, Марс має менший температурний діапазон — від -150°C до +30°C. Він характеризується різкими добовими, сезонними та широтними коливаннями. Атмосфера Червоної планети дуже тонка та майже у 150 разів більш розріджена, ніж земна — її тиск у поверхні в середньому складає 0,6% від тиску на рівні моря на Землі. Вона містить 96% вуглекислого газу, до 2% аргону та 2% азоту, а також водяну пару та інші гази у слідових кількостях. Прискорення вільного падіння на Марсі на 62,5% менше, ніж на нашій планеті. Радіація на ареоцентричній орбіті у 2,5 раза перевищує її рівень на навколоземній, не кажучи вже про інтенсивне космічне опромінення марсіанської поверхні.

У геологічному відношенні Марс і Земля мають багато спільних рис, у першу чергу — більшість гірських порід цих планет належать до магматичних (базальтів). Червоний колір Марсу зумовлений наявністю на його поверхні великої кількості оксидів заліза. Фактично всі марсіанські мінерали, що ідентифіковані на сьогодні, також зустрічаються на Землі. Рідка вода на сусідній планеті зазвичай нестабільна, тому постійні водойми (ріки, озера, моря) там відсутні. В районі її екватора поверхня вважається сухою та вільною від рідкої чи замороженої води, а от на полюсах накопичуються полярні шапки з водяного льоду та твердого вуглекислого газу (сезонні).

Чи є на Землі ділянки, схожі на Марс 

Звичайно, порівнювати умови Землі з умовами Марсу та Місяця — це те саме, що шукати спільне між куркою та жайворонком, однак деякі місця з екстремальними характеристиками все ж можна знайти й на нашій планеті. Наприклад, полярна пустеля Антарктиди, як і Марс, дуже холодна та суха. Для неї характерна низька вологість (лише 50 мм опадів на рік над полярним плато), сильні вітри, підвищений рівень ультрафіолетового випромінювання. Мінімальна зареєстрована температура земної поверхні у Східній Антарктиді становить приблизно -98°C, тому шостий континент часто використовується як полігон для випробування космічних технологій і техніки з метою імітації позаземних умов.

Сухі долини Антарктиди

Іншим прикладом аналогів марсіанського середовища на Землі є Ісландія, де наявні базальтові породи з високим вмістом заліза та діючі вулкани серед льодовиків. Пустелю Атакама в Чилі порівнюють із Червоною планетою через дуже сухий клімат і схожий мінеральний склад, пустелю в Аризоні — через базальтовий вулканізм зі стратифікованими породами, а Гаваї — завдяки наявності великих базальтових щитових вулканів, схожих на марсіанський Olympus Mons (вулканічний конус Олімп — найвища гора Сонячної системи).

Мікроскопічні «екстремали»

Маленькими «помічниками» в освоєнні інших планет і супутників можуть стати земні екстремофільні мікроорганізми (археї, бактерії, мікроскопічні гриби, водорості, протозоа). Ці живі організми здатні існувати в найекстремальніших умовах нашої планети — від спекотних сухих пустель Африки, Азії, Америки до холодних арктичних пустель Арктики й Антарктиди. Навіть такі, здавалося б, непридатні до життя екологічні ніші, як гейзери, «чорні курці» (гейзери в місцях розлому тектонічних плит на океанському дні), радонові джерела, солончаки є досить комфортними для життя екстремофілів. Діапазон життєздатності цих істот надзвичайно широкий і справді вражає.

Важкі метали у високій концентрації є отруйними майже для всіх живих організмів, але не для бактерії C. metallidurans, яка «навчилася» виділяти з середовища слідові кількості цінних елементів без шкоди для себе, формуючи з них крихітні гранули

Бурхливий розвиток досліджень екстремофілів розпочався після відкриття Томасом Броком (Thomas Brock) у 1969 році палички Thermus aquaticus, виділеної з киплячого гейзера Єллоустонського національного парку. Оптимальною температурою для її росту є +79°С. Серед екстремофілів найчастіше розрізняють «любителів гострих відчуттів», а саме: психрофілів (холодолюбів) і термофілів (теплолюбів), ацидофілів (стійких до кислого середовища) й алкалофілів (обожнюють лужне середовище), ксерофілів (стійких до посухи), галофілів (витримують високу солоність), барофілів (мешканців середовища з високим тиском) і осмофілів (живуть при високих значеннях осмотичного тиску), радіорезистентних (витримують іонізуюче й УФ-випромінювання) та металорезистентних організмів (стійких до важких металів і їхніх солей), а також інших «екстремалів», що опираються дії широкого спектру токсичних речовин. Дуже часто такі живі істоти поєднують у собі стійкість до кількох різних екстремальних чинників, тобто є поліекстремофілами, та володіють унікальними біохімічними механізмами захисту.

Середовища існування поліекстремофілів, які процвітають в умовах кількох крайностей, є чудовими моделями для потенційного позаземного середовища. Яскравими представниками таких поліекстремофілів є сірко-окислюючі бактерії, що мешкають у кислому гідротермальному жерлі під високим тиском у басейні Гуаймас (Каліфорнійська затока), психрофільні галотолерантні (солестійкі) бактерії вічної мерзлоти Сибіру та барофіли — мешканці скутих кригою озер Арктики й Антарктиди.

Cupriavidus metallidurans CH34 на базальтовій поверхні

Звичайно, на Землі знайдені мікроорганізми-поліекстремофіли не з усіма можливими комбінаціями стійкості до жорстких умов. Однак бурхливий розвиток генної інженерії здатний допомогти у конструюванні живих істот із надможливостями, що надалі потенційно будуть корисними у колонізації планет і їхніх супутників. Штучно спроєктовані організми, ймовірно, допоможуть у добуванні корисних копалин, зондуванні навколишнього середовища, виробництві харчових продуктів, палива та будівельних матеріалів.

2020 року в журналі Nature Communications була опублікована стаття, в якій науковці експериментально показують потенціал бактерій у добуванні корисних копалин в умовах гравітації, близької до марсіанської. Їхній «апетит» до різноманітних порід земної поверхні відомий давно й успішно використовується людством у біовидобуванні різних речовин, зокрема коштовних металів. Здатність мікроорганізмів «ласувати» певними мінералами використовують в очищенні забруднених ґрунтів і вод (так звана біоремедіація). Всі ці «таланти» можуть бути використані у космічних місіях. Окрім видобутку корисних копалин, маленьких помічників можна залучити до формування ґрунту на супутниках або планетах, вироблення «біокірки» для контролю пилу в замкненому просторі, виробництва біопалива з космічного реголіту тощо.

Біоплівка Bacillus subtilis

Відомо, що змінені умови гравітації — та, очевидно, мікрогравітація — впливають на ріст мікроорганізмів і їхній метаболізм (обмін речовин). Хоча здатність бактерій безпосередньо відчувати гравітаційні зміни є предметом обговорення, однак опосередкована дія все ж відбувається через зміни у процесах осадження та перемішування рідин (змішування поживних речовин і відходів).

З метою перевірки впливу різних значень гравітації на можливості бактерій, що «гризуть» каміння, був здійснений експеримент під назвою BioRock. Досліди проводилися у 2019 році Європейським космічним агентством на МКС в умовах невагомості. Астронавти досліджували здатність трьох штамів бактерій Sphingomonas desiccabilisBacillus subtilis і Cupriavidus metallidurans до біовидобування елементів із базальту (тип вулканічної породи, що часто зустрічається на Місяці та Марсі).

Учасник експедиції на МКС італієць Лука Пармітано встановлює реактор для біовилуговування на центрифугу, що імітує гравітацію

Всі три штами відповідали таким критеріям: були стійкими до висушування, могли рости на твердих поверхнях і/або утворювати біоплівки, а також взаємодіяти з поверхнею гірських порід і/або бути здатними до біовилуговування хімічних елементів (біовидобування). Для досліду взяли типові штами, виділені з різних локацій, а саме: вид Sphingomonas desiccabilis із ґрунтових кірок на плато Колорадо, Bacillus subtilis, що зустрічається всюди, зокрема й на камінні, та Cupriavidus metallidurans із гірських місцевостей і середовища, забрудненого металами.

Мініатюрний біореактор спеціально розробили для випробування у космосі. Він містив базальтові породи з Ісландії (Гуфунес, Рейк’явік), дуже подібні за хімічним складом до базальтів Місяця та Марсу. Пластини цих порід занурювали в різні бактеріальні розчини протягом 21 дня, а різна гравітація моделювалася за допомогою центрифуги. В експерименті порівнювали біовилуговування 14 рідкісноземельних елементів в умовах мікрогравітації, а також змодельованої марсіанської та земної гравітації. Найуспішнішою в «шахтарській справі» виявилася бактерія Sphingomonas desiccabilis, яка чудово «добувала» рідкісноземельні метали з базальту при всіх значеннях гравітації.

Базальтова пластина з нанесеними на неї спорами Bacillus subtilis

Цей експеримент показав ефективність взаємодії бактерій з мінералами й успішне біовидобування корисних копалин в умовах космосу, що стало ще одним кроком у досягненні мрії щодо постійної присутності людини поза межами Землі. Можливість видобувати різні метали з порід Місяця та Марсу значно полегшить колонізацію цих космічних об’єктів, дасть змогу в майбутньому будувати колонії без додаткових зусиль на транспортування ресурсів із Землі. Ймовірно, всі ці плани-мрії незабаром стануть цілком реальними за допомогою однієї з найдревніших форм земного життя — бактерій.

Тож не втрачаймо надії, що одного дня людство таки зуміє колонізувати інші планети та, як в оповіданнях «Марсіанські хроніки» легендарного Рея Бредбері, звичайна сімейка зможе відкрити свою сосисочну на Марсі для космічних туристів. А поки ми рухаємося вперед із новими дивовижними відкриттями та насолоджуємося неймовірною планетою Земля!

Related posts

Leave a Comment