Вічна мерзлота є звичайним явищем у космосі: 7 із 9 планет Сонячної системи, їх супутники, астероїди, комети покриті льодом. Бактерії, що населяють вічну мерзлоту на Землі, можуть слугувати потенційними моделями життя на кріогенних космічних тілах.
Вічна мерзлота – це товща гірських порід та ґрунту, температура яких протягом року не піднімається вище 0°С. На нашій планеті такі умови сформувалися у північній частині Євразії та Північної Америки, а також на вільних від льоду ділянках Антарктиди і Гренландії. В найхолодніших зонах товщина такого замороженого шару складає 700-1000 метрів і потоншується у напрямку від полюсів.
За допомогою асептичного буріння, відбору, зберігання та транспортування проб, було показано, що у вічній мерзлоті присутні життєздатні бактерії. При чому вік мікроорганізмів відповідає віку заморожених порід. Вік найдавніших життєздатних клітин складає 2-3 млн (північний схід Сибіру) та 5-8 млн років (Антарктида). Це єдині відомі форми життя, що зберегли свою життєздатність і відновлюють фізіологічну активність при розморожуванні.
Таке явище стало можливим завдяки унікальним властивостям вічної мерзлоти як середовища існування. Вона здатна формувати такі фізико-хімічні умови, які можуть підтримувати життєздатність організмів незрівнянно довше за інші середовища. При цьому не просто відбувається біохімічна та фізіологічна адаптація, але й сам організм залишається незмінним протягом мільйонів років. Можна припустити, що такі механізми адаптації можуть діяти і за межами планети Земля
Розглянемо фактори, що впливають на палеомікроорганізми в умовах вічної мерзлоти на Землі та на Марсі. Температурний режим є основним чинником, що діє як регулятор всіх фізико-хімічних реакцій і біологічних процесів, і забезпечує тривале виживання клітин. При цьому він виступає не екстремальним, а стабілізуючим фактором. Найнижчі значення температури вічної мерзлоти на Землі сягають -27°С, що вище, ніж на Марсі. Але при зануренні на глибину, де коливання температур менші, а марсіанський пил на екваторі і льодові шапки на полюсах зменшують глибину проникнення цих коливань, температура складає, ймовірно - 30°С, що наближує умови до земних.
У вічній мерзлоті наявні зледеніння (чистий лід), та рідка вода (3-8%). Остання найчастіше трапляється у вигляді тонкої плівки або заповнює порожнини у засолених породах. Кожна із цих фаз відіграє свою роль у збереженні життєздатних клітин: лід виступає у якості кріоконсерванта, а рідка вода – кріопротектора. Вода оточує органо-мінеральні частки, запобігаючи осіданню клітин на їх поверхні та кристалізації. Припускають також, що оскільки така вода часто містить велику кількість розчинених солей, вона може слугувати живильним середовищем для мікроорганізмів. У льодовиках, на відміну від кріолітосфери, немає рідкої води, тому проби заморожених порід містять значно більше бактерій, ніж чистий лід. Крім того, вік заморожених порід сягає кількох мільйонів років, в той час як приблизний вік найстаріших льодовиків коливається від сотень тисяч до 2 млн років.
Газовий склад вічних мерзлот значно відрізняється за вмістом біогенних газів від атмосфери. З цього можна зробити висновок, що СО2 і СН4 не перешкоджають кріоконсервації клітин. Це є втішною перспективою для пошуку позаземного життя, оскільки припускають, що вуглекислий газ є основним компонентом газової фази вічної мерзлоти Марсу, а метан - супутників газових гігантів.
Негативний вплив радіації на палеомікроорганізми у мерзлоті значно слабший, ніж за звичайних умов. Але навіть якщо такого впливу було б достатньо для смертельного пошкодження клітини, він не може настільки пошкодити біомолекули, щоб їх не можна було визначити за допомогою біохімічних та молекулярно-генетичних тестів.
Оскільки вік Марсу і Землі приблизно однаковий, можна припускати, що вони проходили аналогічні етапи розвитку, у тому числі і появу ранніх форм життя. Але суттєвою є різниця у віці земної (теоретичний максимум – 25 мільйонів років) та марсіанської (3-4 мільярди років) вічної мерзлоти. Це являє собою потенційну проблему при дослідженні.
Рис.1. Ландшафти вічної мерзлоти. А: Арктика у жовтні; В: Антарктика у січні; С: Марс навесні.
Еукаріоти підлягають кріокосервації значно гірше, ніж прокаріоти, в той час як прокатіотичні організми, отримані із вічних мерзлот характеризуються широким різноманіттям, у тому числі, морфологічним. При чому домінують спороутворюючі бактерії. Прикметним також є те, що оптимальною температурою для росту бактерій, виділених із вічної мерзлоти, є кімнатна, тобто такі палеобактерії не є психрофілами.
Рис. 2. Найстаріші життєздатні бактерії. a, b: морфологія бактерій з Арктичної вічної мерзлоти пізнього Пліоцену; с - бактерія, d - зелена водорість, виділені із вічної мерзлоти в Антарктиці.
Вічна мерзлота містить величезну кількість древніх біомолекул: нуклеїнових кислот, білків, пігментів, ліпідів, нуклеотидів і т.д. Удосконалення та розробка нових методів молекулярної палеонтології дасть змогу досліджувати наявність біомаркерів вічних мерзлот на інших планетах та з’ясувати можливість перенесення заморожених форм життя у космосі за допомогою астероїдів.
На сьогоднішній день особливий інтерес для досліджень у цій галузі являють собою льодові полярні шапки на Марсі, під якими, як було встановлено, мільярди років тому відбувалися виверження вулканів, що стимулювало створення теплого середовища з високим рівнем вологості, що є сприятливим для розвитку мікроорганізмів.
Рис.3. Північна полярна шапка на Марсі влітку.
14 березня 2016 року відбувся запуск першого космічного апарату за програмою «ЕкзоМарс», однією із цілей якої є пошук можливих слідів минулого і теперішнього життя на Марсі. Початок виконання наукової місії планується на грудень 2017 року. Можливо, отримані результати цілком перевернуть сучасні уявлення про позаземне життя.
Використані джерела:
1. Gilichinsky D.A., Rivkina E.M. (2011) Permafrost Microbiology (Reitner J, Thiel V, eds.) Encyclopedia of Geobiology, Springer-Verlag: 726-732
2. Gilichinsky, D.A. (2001) Permafrost model of extraterrestrial habitat. In: G. Horneck (ed.) Astrobiology IX. Springer -Verlag, Heidelberg, pp. 271 -295.
3. Smith H.D., McKay C.P. 2005. Drilling in ancient permafrost on Mars for evidence of a second genesis of life.Planet Space Sci 53:1302–1308
4. Found: Clues about Volcanoes Under Ice on Ancient Mars //Режим доступу: http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2016-120
5. THE EXOMARS PROGRAMME 2016-2020//Режим доступу:http://exploration.esa.int/mars/46048-programme-overview/