BIOMEX: несколько слов о новых технологиях для поиска внеземной жизни

Пытаясь понять, какой может быть потенциальная жизнь за пределами Земли, астробиологи изучают возможности выживания организмов в разных средах: от поверхности Марса до покрытых льдом океанов спутников Европы, юпитерианской луны. На сегодняшний день Земля остается единственным примером обитаемой планеты, поэтому исследование пределов выживаемости земных организмов — важный компонент науки астробиологов.

По этой причине ученые собирают данные из мест нашей планеты, в которых жизнь проявляет невероятные чудеса адаптации: от Арктики до Антарктики, от теплых гидротермальных источников на дне океана до кислотных рек. Тем не менее антарктические сухие долины или глубоководные жерла Тихого океана — не единственные места, на примерах которых астробиологи изучают жизнь. Низкая околоземная орбита предоставляет возможность наблюдать за земной жизнью в суровых условиях космоса.

Рано утром 24 июля 2014 года новый астробиологический эксперимент начал свой путь с космодрома Байконур в Казахстане к Международной космической станции. BIOMEX («биологический и марсианский эксперимент») был запущен на борту российского грузового корабля «Прогресс» и стал одним из четырех экспериментов, которые будут проводиться на внешней стороне модуля МКС «Звезда». Всего спустя шесть часов после запуска грузовое судно успешно состыковалось с МКС.

BIOMEX содержит двенадцать разных экспериментальных пакетов, которые предназначены для определения потенциала жизни на Марса. Институт планетарных исследований в Немецком аэрокосмическом центре координирует работу BIOMEX, но также к проекту подключены 25 учреждений со всех стран мира.

BIOMEX содержит различные камеры, которые наполнены биомолекулами и организмами, в том числе бактериями, археями, водорослями, грибами, лишайниками и мухами. Разные наборы образцов, рассредоточенные по отсекам, будут подвергаться воздействию внешней среды. Некоторые образцы биомолекул или организмов включены в имитацию марсианской почвы (от нескольких до множественных слоев), другие же представлены космосу совершенно без защиты.

К камерам с образцами применяются различные фильтры, которые должны демонстрировать воздействие разных уровней радиации. С их помощью ученые могут имитировать солнечное излучение, присутствующее на поверхности Марса. Некоторые из камер даже наполнены практически марсианской атмосферой, богатой углекислым газом.

«Чтобы получить реальное понимание поведения биомолекул в марсианской среде, нам нужно проверить различные параметры, с которыми мы могли бы столкнуться на Марсе, — объясняет Жан-Пьер Поль де Вера из Немецкого аэрокосмического центра, а также один из основных участников BIOMEX. — «Это означает, что мы будем применять — настолько, насколько позволит нам МКС — марсианские условия: экстремальные температурные режимы, марсианскую атмосферу с марсианскими газами в камерах EXPOSE-R2, а также радиационный фон, — которые мы никогда не сможем имитировать в земных лабораториях».

Образцы проведут от одного до полутора лет за пределами космической станции, а организмы будут контролироваться с помощью датчиков температуры и дозиметров, которые контролируют радиационное облучение. Цель заключается в том, чтобы увидеть, как воздействие этих разнообразных нагрузок и давлений со стороны окружающей среды повлияет на выживаемость организмов и стабильность важных клеточных компонентов, таких как мембранных липидов, пигментов, протеинов и ДНК.

Результаты эксперимента BIOMEX помогут астробиологам понять, действительно ли эти биологические материалы могут справиться с условиями космической и марсианской среды, и может ли захоронение, например, в марсианской почве повлиять на их выживаемость.

В то время как образцы BIOMEX будут располагаться на внешней стороне станции, ученые на Земле будут работать с копиями образцов в лаборатории. Здесь они будут имитировать марсианские условия максимально близко в контролируемой среде лаборатории и наблюдать за привязанными к земле образцами с помощью ряда инструментов.

По завершению эксперимента образцы BIOMEX будут возвращены на Землю, а ученые внимательно оценят результаты. Уже в лаборатории они смогут охарактеризовать стабильность биомолекул после перенесенных условий низкой околоземной орбиты. В том числе и оставленные ими следы, которые могут быть полезны в будущих миссиях по обнаружению следов жизни на Марсе.

«BIOMEX изучает потенциал инструментов для обнаружения определенных биосигнатур (пигментов, мембранных композитов, липидов и так далее) в марсианской среде до и после космических экспериментов, а также во время имитации Марса в лаборатории», — рассказал доктор де Вера журналу Astrobiology Magazine.

Набор спектроскопических инструментов, которые астробиологи используют на Земле, аналогичны тем, которые будут использоваться во время полетов на Марс в ближайшем будущем. Они включают в себе спектроскопы Рамана и ИК/УФ/ВИД спектров. Первоначальные тесты в лаборатории уже показали интересные результаты. Например, что биосигнатуры меняются под действием температуры и радиации. Поэтому они отличаются от тех, которые мы привыкли наблюдать в земных условиях.

Данные BIOMEX также могут иметь важное применение вне области астробиологии. Изучение того, как биосигнатуры выживают в моделируемом марсианском реголите, могут быть полезными для земных археологов, которые ищут радиационно-независимые методы (то есть не радиоуглеродное датирование) для изучения древних деревянных предметов. Термогравиметрическая методология, которую использует де Вера и его команда, в частности, проверяет остатки воды в образцах BIOMEX, после того как они столкнулись с космической средой. Она тоже находится в области интересов археологов.

«Раман-спектроскопия все больше используется в микробиологии, фармакологии и медицине», — говорит де Вера. — «Институт Роберта Коха в Берлине, который сотрудничает с нами, использует этот метод (в сочетании с другими), чтобы выявить микроорганизмы, которые могут быть вредными для здоровья. Их нужно выявить очень быстро, чтобы определить, нет ли риска для возникновения эпидемии».

Исследование биопленок в космосе может иметь некоторые интересные последствия для здоровья астронавтов и людей на Земле. На Земле биопленки используются в некоторых лекарственных напитках для запуска иммунной системы. Изучение биопленки в космосе может помочь определить, будут ли эти напитки безопасны для космонавтов на орбите или нет. Есть вероятность, что космическая среда приведет к мутации биопленки и она станет вредной для потребления.

«Сушка (удаление воды) и радиационная защита — крайне важные вопросы, — отмечает де Вера. — Исследование облученных образцов предоставит больше информации о том, как наиболее устойчивые микроорганизмы способы эффективно себя ограждать, и какие вещества ответственны за их сопротивление. В косметической и пищевой промышленностях крайне заинтересованы результатами этих исследований».

На самом деле, Институт клеточной терапии и иммунологии Фраунгофера в Потсдаме, Германия, уже работает с двумя организмами из тех, которые изучают де Вера и его команда. Один из них — высокорезистентная цианобактерия, а другой — зеленые водоросли. Благодаря BIOMEX эти организмы разместились на низкой околоземной орбите, цепляясь за внешний борт Международной космической станции.

BIOMEX поможет астробиологам понять потенциал обитаемости Марса. Если жизнь когда-нибудь возникала на Марсе и существовала на тех же биологических принципах, что и земная, могли ли те организмы приспособиться к жизни на Марсе в наши дни?

Исследуя этот вопрос, BIOMEX может помочь сформировать будущее исследование Марса, разработать руководящие принципы того, где роботам-исследователям придется искать признаки жизни на современном Марсе или признаки древней жизни, сохранившейся в реголите.

«С данными, полученными на базе выбранных биомолекул в качестве потенциальных сигнатур, а также данных о том, как они ведут себя в условиях космоса и Марса, мы построим базу данных, которая будет иметь существенное значение для будущих исследовательских миссий на Марс, — говорит де Вера. — Это база может служить в качестве резервной или системной, автоматически обновляться, а также содержать возможные или прогнозируемые жизнеформы и потенциальную жизнь, какой она может скрываться».

«Мы хотим знать, какие последствия ультрафиолетового излучения будет нести структура клеток и биопленка в условиях космоса. Это поможет нам понять, из чего могут быть сделаны организмы, устойчивые к экстремальным условиям космоса».

Считается, что организмы, способные образовывать биопленку, могут быть более успешными в самозащите от суровых условий окружающей среды. Способность производить биопленку может иметь важное значение на ранних стадиях эволюции жизни на Земле, когда условия на нашей планете были другими.