Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Вирусы и микроорганизмы» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Самым незаменимым условием для развития жизни считается жидкая вода. Поэтому, если хочется решить проблему жизни на Марсе, для начала стоит разобраться с доступностью там воды. Да, в 2018 году приборы обнаружили некоторое «подземное озеро» неизвестного состава и размера на глубине в 1,5 км [1]. Но вряд ли в скором времени удастся добраться до расположенных так глубоко объектов на далекой планете. Да, на Марсе есть вода в виде льда. Но в условиях низких давления и температуры она не может существовать в жидком состоянии. Поэтому в статье мы расскажем о последних биологических исследованиях, которые пытаются разрешить проблемы поиска доступной воды и жизни на Марсе. Причем делают это на Земле, изучая ее наиболее безжизненное место — Атакаму.

Пустыня Атакама на западном побережье Южной Америки — одно из самых неординарных мест нашей планеты (рис. 1). Здесь осадки выпадают считанное количество раз в году, и то — лучше бы кот наплакал. Например, в первой половине 2010-х годов с осадками везло (и в 2015 году по интернету разлетались фотографии цветущей после рекордных дождей пустыни). Но даже тогда в двух точках Атакамы зарегистрировали в среднем 20–30 миллиметров на год — все равно критически недостаточное для живых организмов количество, хотя больше десятилетней нормы пустыни [2]. Для сравнения, в Сахаре в среднем за год выпадает 76 мм, а в Москве — 600–800 мм. Благодаря экстремально засушливым условиям вкупе с опасными дозами ультрафиолета, высоким количеством солей в почве и некоторым особенностям ее состава ученые используют Атакаму как модель Марса (на некотором этапе его развития) в попытках ответить на вопросы о жизни на Красной планете.

Может ли на Марсе жизнь теплиться там, куда мы еще не добрались?

В ноябре 2020 года в Scientific Reports вышла статья Армандо Азуа-Бустос — человека, с детства ищущего жизнь в Атакаме — и его коллег [3]. В рамках опубликованного исследования они изучили слой почвы Атакамы, скрывающийся всего на 30–40 см глубже ее поверхности. Оказалось, что в этом слое преимущественно глинистых пород (в первую очередь смектита) поддерживается невероятно высокая для Атакамы относительная влажность — 78% (да, как в нашей средней полосе). Температура также стабильна на уровне 17 ^oC, пока на поверхности в течение суток она изменяется от 0 до 54 ^oC. Конечно, в таких щадящих условиях ученые обнаружили жизнь: согласно их данным, глинистый слой населен представителями 30 видов галофильных микроорганизмов (из-за высокой концентрации солей), активных и не собирающихся засыхать.

Однако сами же исследователи говорят, что высокое содержание влаги в глинистом слое, который они изучали в 2018 году, явно связано с обильными для Атакамы осадками, выпавшими в 2015 году (до этого в пустыне десятилетиями не было существенных дождей, поэтому три года после потопа — срок небольшой). Неизвестно, насколько весело жилось там микроорганизмам в более засушливые времена. К тому же исследованный слой почвы имеет связь с ее поверхностью, и на Земле это не мешает. А вот на Марсе атмосферное давление и температура так низки, что вода не может существовать в жидком состоянии. Поэтому если на Земле всего в 30 см от относительно безжизненной среды оптимальные для микроорганизмов условия существовать могут, то на Марсе представить такое куда труднее. Кажется, что на Красной планете подобная среда должна быть по крайней мере более изолирована от атмосферы, чтобы быть пригодной для жизни.

Так что авторы исследования замечают, что Атакама похожа скорее на Марс в первый миллиард лет его существования. Но микроорганизмы или хотя бы их следы, если жизнь в такой форме была на Красной планете, где-то могут сохраниться. Например, мы знаем, что трещины кратера Гейла доходят до глинистых пород, и там остались следы жидкой среды из прошлого. Значит, когда-то здесь были условия для существования микроорганизмов типа обнаруженных в глинистом пласте почвы Атакамы. Если при изучении трещин других кратеров обнаружится, что глинистый пласт почвы встречается часто, в таких субстратах надо будет искать жизнь или следы ее былых подвигов, считают авторы исследования. Поэтому они изучали в первую очередь химические признаки жизни под поверхностью Атакамы, чтобы в будущем марсоходы «знали», что им следует искать [3].

Правда, исследователи опасаются, что в окаменевших породах микроорганизмам может быть тяжелее находить воду. Мы с этим не согласны, поскольку знаем, что как раз об исследованиях бактерий, умеющих добывать воду из камня, будет следующая часть нашей статьи. Ведь Атакама предоставляет возможность изучать более оригинальные, чем влажная глина, субстраты.

Обитатели камней Атакамы

Разные научные коллективы находили микроорганизмов в камнях Атакамы. И изучали их, потому что на Марсе могла бы существовать подобная форма жизни, или же потому, что такие бактерии могут оказаться полезными для колонизации Марса [2], [4], [5]. Ведь микроорганизмы из камней Атакамы могут подсказать, как добыть воду, когда ее рядом нет ни в одном из агрегатных состояний. Прежде чем раскрыть их секрет, мы расскажем о том, почему микроорганизмам так нравится населять камни самой безжизненной пустыни Земли.

Начинались все исследования этого вопроса одинаково. Добравшись до Атакамы, ученые откалывали образцы гипса и других пород (но в нашей статье речь идет лишь о гипсе — самом популярном в этой нише субстрате) (рис. 1). И когда в паре миллиметров от поверхности камня исследователи обнаруживали зеленеющие участки, то понимали, что приехали не напрасно (рис. 1). Ведь причина окраски этих мест — эндолиты: микроорганизмы, живущие в камнях, иногда в твердых субстратах типа кораллов или раковин моллюсков. Точнее, окрашивают камень пигменты эндолитов Атакамы, которые помогают использовать энергию солнечного света для фотосинтеза или защищают от вредного излучения. Вообще, эндолиты в разных условиях могут жить в порах породы, пространствах между кристаллами, в трещинах и даже активно формировать полости в камне под себя, используя разные способы добычи энергии . Но ученым, приезжавшим в Атакаму, были интересны только эндолиты, населяющие камни пустыни. А основу колоний эндолитов Атакамы составляют фотосинтезирующие микроорганизмы.

Подробнее об эндолитах можно узнать из статьи Александра Марфина «Микротоннели в гранате» [6].

Микроорганизмы, найденные внутри камней, исследователи определяли по ДНК (рис. 2) [7]. В результате оказалось, что эндолиты Атакамы, особенно скрытые в гипсе, разнообразны: среди них есть и цианобактерии, и актинобактерии, а еще протеобактерии и Chloroflexus [2]! Как существуют такие богатые сообщества среди голой сковородки пустыни?

Подробнее о СЭМ можно прочесть в материале «12 методов в картинках: микроскопия» [8].

Чем камень удобен для жизни?

Способность конкретного субстрата укрывать в себе живые организмы — биорецептивность — зависит от его химических, минералогических и физических свойств. И эндолиты отыскали действительно отличное место.

Тонкий слой гипса еще слегка прозрачен — пропускает малую долю необходимого для фотосинтеза света. Поскольку снаружи солнечный свет настолько интенсивен, что повреждает большинство живых организмов (напомним, это Атакама), корочка минерала сверху — как раз идеальная защита. Замечательности добавляет то, что сульфат кальция, составляющий гипс, пропускает опасное ультрафиолетовое излучение куда хуже, чем более длинные волны. То есть камень сверху служит фильтром (рис. 3).

Крайне опасны для живых организмов резкие перепады температуры. В пустыне Атакама температура воздуха может опуститься ниже 0 ^oC ночью, а в полдень подняться выше 40 ^oC. Камень смягчает резкие колебания температуры. А поскольку среднегодичное ее значение, зафиксированное разными коллективами учёных, 15–20 ^oC, в целом камни ни перегреваться, ни переохлаждаться не успевают [2], [4], [5], [9]. В этом смысле эндолиты живут в довольно оптимальных условиях, особенно если учесть, что среда физически стабильная — защищает от других внешних воздействий. Но это все окажется ненужным без воды. Ведь речь идет о месте, где относительная влажность воздуха опускается ниже предела в 58,5%, при котором зафиксирована жизнедеятельность микроорганизмов [10]. Именно проблема доступности воды постулирована как самая важная в освоении субстрата эндолитами во многих статьях на эту тему [2], [4], [5], [7], [9]. И поэтому эндолиты демонстрируют очень странные способы добычи влаги.

Источники воды внутри гипса

Для начала, гипс очень пористый — это, собственно, и позволяет так успешно колонизировать его внутренности (рис. 4). Больше 10% внутреннего объема гипса занимают поры, а в наружных слоях их на порядок меньше (это одно из лучших значений среди разных субстратов эндолитов).

Использовать пористость гипса — это первая и самая легкая возможность удерживать от быстрого испарения воду, которая затекает внутрь во время дождя или конденсируется на поверхности во время туманов. Поэтому международный коллектив ученых, исследовавших доступ эндолитов Атакамы к влаге, создал модель, описывающую распределение воды и эндолитов в гипсе (рис. 5) [4]. Зная, в каких областях гипса наблюдались колонии эндолитов, авторы модели попробовали объяснить, почему микроорганизмы предпочитают эти зоны другим.

О функциях каротиноидов можно прочесть в статье Александра Маркова «Каротиноиды — универсальные молекулярные устройства для работы со светом» [11].

Используя накопленную воду, можно жить много где. Но в пустыне нет повторяющейся сезонности (например, нет чередования засушливых и дождливых сезонов в течение года). Если эндолиты будут полагаться лишь на запасы воды, то, когда они иссякнут, эндолиты утратят возможность активно жить задолго до следующего дождика. Поэтому Хуан Вэи и его коллеги из Калифорнийского университета и Университета Джонса Хопкинса занялись поиском способа, которым эндолитические микроорганизмы Атакамы добывают воду даже без доступа к ней [7]. Давайте перенесемся в прошлое и представим, что поучаствовали в работе американских исследователей.

Научная магия

Для начала, как настоящим ученым, нам стоит проверить, реально ли микроорганизмы извлекают воду из камня, когда не имеют доступа к ней, в лаборатории, где условия контролируем мы, и ничто не будет скрыто от глаз. Следуя по стопам предшественников, мы съездили в Атакаму и собрали образцы гипса. Размолов гипс, населенный эндолитами, и инкубировав получившийся порошок, мы смогли выделить культуру эндолитов. Точнее, выросли у нас только цианобактерии из рода Chroococcidiopsis sp. (скорее всего, потому что среда не подошла для более прихотливых эндолитов). Подготавливаем для проверки блоки гипса из Атакамы, стерилизованные автоклавированием при 121 ^oC и высоком давлении, одинакового размера, не жалея для их заготовки алмазных пил.

Бактерии рода Chroococcidiopsis sp. еще до «нашего» исследования заслужили внимание в контексте покорения Марса. Разные представители рода устойчивы к низким температурам и влажности, радиации, в том числе к ионизирующему излучению, разрушающему цепи ДНК [12–14]. Поэтому об этих цианобактериях уже думали как о потенциальном способе запустить на Марсе производство кислорода и формирование почвы — хотя бы внутри закрытых колоний на Красной планете [15]. Представителей рода Chroococcidiopsis уже не раз брали на орбиту для проведения экспериментов [16].

Наконец, начинаем эксперимент. Засеваем два образца гипса из пустыни приблизительно равными количествами получившейся культуры эндолитов. Оставляем первый во влажной среде для контроля того, что наша культура эндолитов жизнеспособна — чтобы сравнить с ним второй, который помещен в сухую среду. Ждем 30 дней... месяц прошел. Мы видим, что первый образец окрасился в зеленый. Но и второй образец также позеленел (рис. 6)! Для достоверности результатов проводим дополнительные эксперименты (например, проверяем, не вырастет ли еще что-то в чистых простерилизованных образцах гипса и т.п.) и понимаем, что нигде не ошиблись. Значит, и без доступа к воде эндолиты смогли ее достать. Рассмотрев образцы под микроскопом и проведя разные исследования, мы поняли, как им это удалось.

Биопленка эндолитов (сообщество бактерий, связанных друг с другом, с субстратом и с веществом, которое они выделяют) покрывает поверхность кристаллов гипса. А гипс — это не просто сульфат кальция, а его кристаллогидрат CaSO₄•2H₂O — кристаллы, структуру которых наряду с ионами формируют молекулы воды (рис. 7, видео 1). Так, масса воды, заключенной в кристаллогидрат, может составлять до 20% от массы образованного гипсом камня! Что ж, она близко, осталось только достать.

Чтобы извлечь воду из гипса, эндолиты синтезируют и выделяют органические кислоты. Кислоты начинают растворять гипс: структура кристаллов разрушается, и высвобождаются молекулы воды, которые не вернутся туда никогда. Сама кристаллическая структура гипса сложная, и со стороны, которую покрывает биопленка, чередуются разные слои [17]. Через один следуют слои, которые плохо защищают молекулы воды . Сначала растворяются именно они: из-за потери воды «слабые» слои переходят в дегидратированные мелкие кристаллы — ангидрит: это более устойчивое состояние (рис. 8). Причина перехода — без молекул воды поддерживать прежнюю структуру невозможно [7].

Чередующиеся слои обращены к биопленке разными атомными плоскостями. Атомной плоскостью называется плоскость, вдоль которой закономерно расположены атомы кристаллической решетки. Разные атомные плоскости кристаллов нумеруются относительно условной системы координат с помощью индексов Миллера — чисел, показывающих, как расположена атомная плоскость относительно разных осей координат. Например, название (010), точнее, то, что в нем только одна единица, значит, что плоскость (010) перпендикулярна осям координат и смещена вдоль одной из них. В нашем случае это значит, что молекулы воды в составе кристалла закрыты наиболее неприступно (так сказать, сплошной стеной). Плоскость (011) относительно осей расположена «наискосок» и закрывает молекулы воды в структуре кристалла неидельно. Поэтому слой, обращенный к биопленке атомной плоскостью (011), уязвим для микроорганизмов.

Более упорные слои следом тоже растворяются, и кристаллы ангидрита растут. Поздравляю, вода из камня добыта! В результате таких агрессивных действий эндолитов изменяется структура камня (рисунок 8б показывает, как выглядит перестройка гипса). Причем остается эта улика только в тех зонах гипса, где растут колонии эндолитов — вот дополнительное подтверждение того, что ангидрит возник именно благодаря извлечению воды эндолитами (рис. 9). И извлекают воду из гипса они лишь в случае острой необходимости — вы не найдете кристаллов ангидрита, рассматривая экспериментальный образец, где у эндолитов был доступ к влаге.

Цель исследований эндолитов пустынь

На историю открытия хочется ответить вопросом: «Так сложно и так просто?!». Ну и вторым: «Зачем нам это знать?». Поэтому в конце стоит представить, какой большой пользой могут обернуться исследования эндолитов и обитателей других сред Атакамы.

Ведь пока следы жизни на Марсе не найдены, как и необходимые для нее количества воды. Что, если какая-то порода может быть средой, которая защитит даже от угроз неземного масштаба? Во-первых, она может быть нишей, в которой сохранилась жизнь, если она была на Красной планете. Во-вторых, освоение такого способа добычи воды может стать хорошей решенной задачей на пути к покорению Марса [5]. Было бы круто суметь добыть воду из камня, прилетев туда с ограниченными запасами, не правда ли? Фантазия уже рисует цветущие инопланетные плантации.

Литература

1. R. Orosei, S. E. Lauro, E. Pettinelli, A. Cicchetti, M. Coradini, et. al.. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science. eaar7268;
2. Victoria Meslier, M. Cristina Casero, Micah Dailey, Jacek Wierzchos, Carmen Ascaso, et. al.. (2018). Fundamental drivers for endolithic microbial community assemblies in the hyperarid Atacama Desert. Environ Microbiol. 20, 1765-1781;
3. Armando Azua-Bustos, Alberto G. Fairén, Carlos González Silva, Daniel Carrizo, Miguel Ángel Fernández-Martínez, et. al.. (2020). Inhabited subsurface wet smectites in the hyperarid core of the Atacama Desert as an analog for the search for life on Mars. Sci Rep. 10;
4. Jacek Wierzchos, Jocelyne DiRuggiero, Petr Vítek, Octavio Artieda, Virginia Souza-Egipsy, et. al.. (2015). Adaptation strategies of endolithic chlorophototrophs to survive the hyperarid and extreme solar radiation environment of the Atacama Desert. Front. Microbiol.. 6;
5. J. WIERZCHOS, B. CÁMARA, A. DE LOS RÍOS, A. F. DAVILA, I. M. SÁNCHEZ ALMAZO, et. al.. (2011). Microbial colonization of Ca-sulfate crusts in the hyperarid core of the Atacama Desert: implications for the search for life on Mars. Geobiology. 9, 44-60;
6. Элементы: «Микротоннели в гранате»;
7. Wei Huang, Emine Ertekin, Taifeng Wang, Luz Cruz, Micah Dailey, et. al.. (2020). Mechanism of water extraction from gypsum rock by desert colonizing microorganisms. Proc Natl Acad Sci USA. 117, 10681-10687;
8. 12 методов в картинках: микроскопия;
9. Christopher P. McKay, E. Imre Friedmann, Benito Gómez-Silva, Luis Cáceres-Villanueva, Dale T. Andersen, Ragnhild Landheim. (2003). Temperature and Moisture Conditions for Life in the Extreme Arid Region of the Atacama Desert: Four Years of Observations Including the El Niño of 1997–1998. Astrobiology. 3, 393-406;
10. Andrew Stevenson, Philip G. Hamill, Callum J. O'Kane, Gerhard Kminek, John D. Rummel, et. al.. (2017). Aspergillus penicillioidesdifferentiation and cell division at 0.585 water activity. Environ Microbiol. 19, 687-697;
11. Элементы: «Каротиноиды — универсальные молекулярные устройства для работы со светом»;
12. Daniela Billi, E. Imre Friedmann, Kurt G. Hofer, Maria Grilli Caiola, Roseli Ocampo-Friedmann. (2000). Ionizing-Radiation Resistance in the Desiccation-Tolerant CyanobacteriumChroococcidiopsis. Appl. Environ. Microbiol.. 66, 1489-1492;
13. Cyprien Verseux, Mickael Baqué, Riccardo Cifariello, Claudia Fagliarone, Marina Raguse, et. al.. (2017). Evaluation of the Resistance ofChroococcidiopsisspp. to Sparsely and Densely Ionizing Irradiation. Astrobiology. 17, 118-125;
14. Claudia Fagliarone, Claudia Mosca, Ilaria Ubaldi, Cyprien Verseux, Mickael Baqué, et. al.. (2017). Avoidance of protein oxidation correlates with the desiccation and radiation resistance of hot and cold desert strains of the cyanobacterium Chroococcidiopsis. Extremophiles. 21, 981-991;
15. Cyprien Verseux, Mickael Baqué, Kirsi Lehto, Jean-Pierre P. de Vera, Lynn J. Rothschild, Daniela Billi. (2016). Sustainable life support on Mars – the potential roles of cyanobacteria. International Journal of Astrobiology. 15, 65-92;
16. Daniela Billi, Clelia Staibano, Cyprien Verseux, Claudia Fagliarone, Claudia Mosca, et. al.. (2019). Dried Biofilms of Desert Strains of Chroococcidiopsis Survived Prolonged Exposure to Space and Mars-like Conditions in Low Earth Orbit. Astrobiology. 19, 1008-1017;
17. Y. Xin, L. Xiang, Y.-X. Yu. (2015). Influence of structure on the morphology of CaSO4·nH2O (n = 0, 0·5, 2): A molecular simulation study. Materials Research Innovations. 19, S2-103-S2-107;
18. Бактерии из мéла;
19. Почти детективная история о том, как элемент-убийца помог возникнуть жизни.