Международная космическая станция — маленький фрагмент земной биосферы, поднятый в космос на высоту 400 километров. Ученым известны микроорганизмы, обитающие на станции вместе с людьми, но совсем недавно они обнаружили, что бактерии есть не только внутри гермообъема МКС, но и снаружи — в открытом космосе. О том, как бактерии умудрились самостоятельно добраться до орбиты и могут ли они отправиться дальше к другим планетам Солнечной системы, N + 1 рассказал профессор Антон Сыроешкин, заведующий кафедрой фармацевтической и токсикологической химии РУДН, участник эксперимента «Тест», в ходе которого и были найдены бактерии-астронавты.
N + 1: Как возникла идея эксперимента «Тест»? Зачем потребовалось исследовать внешнюю поверхность МКС?
Антон Сыроешкин: Этот эксперимент задумали специалисты, изучающие возможное развитие коррозионных процессов на корпусах станции, в том числе деятельности микроорганизмов-биодеструкторов.
Цель эксперимента заключалась в исследовании возможной микродеструкции обшивки станции с целью понять, не вносят ли микроорганизмы вклад в ее развитие.
Старение обшивки усиливается из-за бомбардировки космическими лучами, включающими тяжелые заряженные частицы, например ионы железа. К этому добавляются ультрафиолет и рентген. Кроме того, МКС находится на относительно небольшой высоте, фактически в верхней атмосфере, поэтому там есть атомарный кислород и атомы других газов, способные вступать в химические реакции с обшивкой. Поэтому износ внешних конструкций станции идет быстрее, чем в «настоящем» вакууме.
Главный научный сотрудник РКК «Энергия» Олег Цыганков предложил простой и эффективный инструмент для исследования мелкодисперсного осадка на поверхности станции и доставки его в стерильном виде в наземные лаборатории.
Предполагалось, что такой осадок может состоять из частиц космической пыли, которая абсорбируется и «прилипает» к поверхности станции, частиц от выхлопа двигателей станции и диспергирования (разрушения) материала конструкции станции. Кроме того, это могли быть частицы, каким-то образом попавшие туда с Земли или вследствие бомбардировки МКС микрометеороидами и частицами кометных дождей.
Анализ этих образцов помог бы, например, понять, с какой скоростью может идти разрушение конструкции, определить, нет ли там микротрещин, сколов, ударов от бомбардировки микрочастицами. Ведь если идет диспергирование поверхности, значит, состав наружной пыли будет совпадать с составом материала станции.
Станция укутана, как ребенок, в теплоизоляционную ткань. В рамках эксперимента исследовали состояние этой «пеленальной» ткани ЭВТИ (экранно-вакуумная теплоизоляция), состояние солнечных батарей и стекол иллюминаторов, в том числе их загрязнение.
Эксперимент начался в 2010 году, и в 2013 году нашу группу пригласили для всестороннего химического анализа собранной на наружной поверхности станции пыли — от элементного состава до микробиологического.
Мы ничем не лучше других замечательных лабораторий, но мы взялись в этих 50 миллиграммах определять все — неорганику, органику. И мы сделали ДНК-анализ.
Зачем? Вы надеялись найти там что-то живое?
В этом эксперименте участвовали коллеги, много лет контролировавшие микробиологическое состояние внутри станции. По их мнению, на поверхности станции могли находиться микроорганизмы, содержащиеся в воздухе жилых отсеков и попавших на внешнюю поверхность при работе клапанов очистки воздуха, а также при операциях шлюзования перед выходом космонавтов.
Речь могла идти даже о микроорганизмах, оставшихся после сборки модулей и вывода их на орбиту. Наконец, на поверхность МКС могут попасть микрометеориты и кометная пыль, содержащие биогенное вещество внеземного происхождения.
Именно поэтому тампон-проботборник сразу же был подготовлен микробиологически чистым.
А как был устроен этот пробоотборник? И как проходил сам сбор?
На специальный штуцер (пробник) накручен хлопчатобумажный материал, грубо говоря, вата. Это все стерилизуется, и потом в стерильных условиях, в ламинарном шкафу, этот тампон ввинчивается в специальный футляр, а затем подвергается гамма-излучению.
Футляр сделан так, чтобы космонавту удобно было в толстых перчатках скафандра завинчивать и вывинчивать штуцер. Все это в собранном виде отправляется на орбиту.
Внешний вид устройства для сбора образцов пыли с двумя пробосборниками - экспериментальным и контрольным
Космонавт с пробооборником. Специальный ключ на штуцере позволяет вывинчивать тампон даже в перчатках от скафандра
На орбите космонавт во время ВКД — то есть во время выхода в космос, на космическом языке «внекорабельной деятельности» — вывинчивает пробник с тампоном, и таким образом он оказывается в вакууме.
Затем этим тампоном космонавт проводит по поверхности корпуса, иллюминатору, теплоизоляционной ткани или солнечной батарее, собирая с них пыль. У космонавта при этом есть подробная инструкция, сколько времени тереть, какую площадь, какой участок на стекле. Никакой самодеятельности.
Наконец космонавт вкручивает тампон обратно в пробосборник — так мы обеспечиваем защиту образцов от контаминации по пути на Землю. Вакуумированный пробосборник поступает назад в лабораторию, где его вскрывают, опять-таки, под ламинаром.
Чтобы результаты исследования были корректными, необходимо сделать точно такие же исследования на контрольном тампоне. Это было обязательное требование микробиологов: второй контрольный прибор с тампоном был ввернут в такой же простерилизованный пробосборник.
Этот контрольный тампон — точно такой же, что и экспериментальный, который путешествовал на МКС и вернулся с пробами пыли, взятыми на МКС.
На Земле холостой пробосборник тоже вскрывают и исследуют. Так осуществляется внутренний контроль на предмет случайной контаминации.
Мы провели элементный анализ, то есть с помощью спектрометрии получили профиль всех элементов, содержавшихся в этих 50 миллиграммах пыли. И оказалось, что собранные образцы очень похожи на пыль тропосферы.
Причем это был смешанный аэрозоль с преобладанием морской компоненты — его главным отличием было наличие большого числа переходных металлов: цинка, марганца, железа, никеля, хрома. Конечно, эти элементы присутствует везде, но по их характерному профилю можно отличить морской аэрозоль от «сухопутного» — терригенного.
Конечно, я должен оговориться, что любой аэрозоль — смешанный, то есть в тропосферном аэрозоле всегда есть и терригенная компонента, и морская, и вулканическая, и космическая. Вопрос в том, какая из них преобладает. В образцах, собранных на станции, преобладал, с нашей точки зрения, морской аэрозоль.
На второй стадии мы провели микробиологический анализ, чтобы проверить, нет ли на внешней обшивке следов микробов, попавших туда изнутри станции. Мы исследовали рибосомальную РНК, сделали ПЦР-анализ. И каково же было наше удивление, когда в образцах пыли обнаружилась неразрушенная ДНК. В открытом космосе.
Мы наработали ампликон 16S рибосомальной РНК, секвенировали ее и сравнили с базами данных. И увидели, что у нас в пыли лежит ДНК микроорганизмов, характерных для определенных сообществ, а именно для морского бактериопланктона.
Результаты амплифицирования нуклеиновых кислот из образцов пыли, собранной с внешней поверхности МКС.
Там есть морские микобактерии, составляющие 40 процентов мирового гетеротрофного бактериопланктона, а также экстремофилы, архебактерии.
И затем все последующие годы мы проверяли эти материалы и исследовали новые пробы, чтобы убедиться в том, что мы не ошиблись. На сегодняшний день речь идет почти о двух десятках выходов в открытый космос для сбора образцов. Космонавты брали пробы в разных местах станции, с разных участков.
Мы проверили гипотезу, согласно которой это может быть контаминация из внутренней атмосферы МКС. И похоже, что гипотеза не подтвердилась.
Результаты анализа проб, сделанных прямо около выпускного клапана, опубликованы, и они отличаются от наших результатов. «Грязь», выходящая из внутренней атмосферы станции, известна и она не похожа на пробы, взятые из других точек на внешней обшивке МКС.
Мы, например, брали пробы с поверхностей, которые смотрят вперед, по направлению вектора полета станции, куда не мог попасть этот выхлоп. Проверили различные варианты контаминации — скафандры, шлюзовую камеру, но они оказались почти стерильны.
Но история на этом не закончилась. Мы посеяли полученные пробы, и, к нашему ужасу, некоторые из микроорганизмов взяли и проросли. Это означает, что в наших пробах была не просто ДНК, а жизнеспособные микроорганизмы.
Мы не стали эти данные публиковать сразу, решили поставить еще один эксперимент. На точно таком же тампоне отправили в космос камчатские бактерии-термофилы, живущие в горячих источниках. И выставили этот тампон в открытый космос без всякой защиты на год.
Наконец тампон вернулся — и оказалось, что на нем выжило больше 2 процентов камчатских термофилов! Мало того, что они выжили, но на тех участках ДНК, которые мы контролировали, не было даже точечных мутаций.
Как же бактерии смогли выжить в открытом космосе?
Мы предполагаем, что там есть микросреда: микрочастички пыли слепляются друг с другом в такой стомикронный клубок, и в нем бактерии могут не только выживать в спящем состоянии, но и вести активную репарацию точечных мутаций от космического излучения.
Этот клубок не дает жидкости в клетках испариться полностью, то есть бактерии находятся не в анабиозе или дормантном состоянии, а продолжают метаболическую активность.
Этот результат важен еще и с точки зрения эксплуатации станции: космическая пыль, прилипшая снаружи к ее обшивке, является биохимически активной средой. То есть на станцию действуют не только механические факторы и плохо предсказуемые химические реакции, протекающие с участием ионизирующего воздействия. Наружная обшивка МКС — это еще и место, где продолжают функционировать земные бактерии, и что они сделают с ней в будущем, насколько снизится срок ее эксплуатации, какими могут быть последствия, — это уже вопрос к тем, кто занимается целостностью поверхности станции.
И это важно для космонавтики в целом, в том числе для тех станций, которые появятся на орбитах Венеры, Марса и дальше.
Какая же сила, какой механизм выносит бактерии на высоту 400 километров, на высоту орбиты МКС?
Их выносит глобальная электрическая цепь. Еще в 1925 году геофизик Чарльз Вильсон высказал идею, что земную поверхность и атмосферу связывает электрический ток и молнии во время гроз — лишь одно из проявлений этого потока заряженных частиц.
Глобальная электрическая сеть
Глобальная электрическая цепь состоит из совокупности твердых и газоплазменных оболочек, объединенных непрерывностью плотности электрического тока, с грозовыми генераторами в качестве основных источников электродвижущих сил и невозмущенными областями свободной атмосферы в качестве зон возвратных токов.
Согласно гипотезе Вильсона, тропосферные грозовые генераторы обеспечивают зарядку сферического конденсатора Земля–ионосфера и определяют квазистационарное электрическое состояние невозмущенных атмосферных областей.
Таким образом, ГЭЦ объединяет геосферные оболочки в единую токовую систему, скейлинг и динамика которой определяются электрической стратификацией атмосферы, ионосферным неоднородностями, электрическими свойствами верхнего слоя океана и земной коры.
Нам хорошо известна горизонтальная компонента этой цепи в ионосфере, связанная с полярными сияниями. Известны теллурические — земные — токи.
Изучен нисходящий поток электрической цепи — ему пробивают дорогу высокоскоростные частицы галактических лучей, и вы видите в стратосфере молниевые разряды. Пролетела частица галактических лучей и создала канал, по которому заряд может стечь из ионосферы на поверхность Земли.
А в более высоких слоях атмосферы эти известные «молнии вверх» — спрайты, эльфы, гномы, они хорошо описаны.
Все эти компоненты описаны, а вот как заряд перебрасывается с поверхности Земли в ионосферу, это пока не вполне ясно, восходящие токи еще не изучены.
На сегодняшний день имеются только труды профессора Сергея Попеля из Института космических исследований, обосновавшего модель переноса аэрозолей из тропосферы в стратосферу, из стратосферы в ионосферу. Но это физические модели, чтобы проверить их, необходим маркер этого переноса.
Химические маркеры неубедительны, на изотопный анализ у нас не хватает вещества. А вот бактерии могут быть таким маркером.
То, что мы их нашли, показывает, что путем долгого путешествия в ионосфере Земли по восходящей ветви глобальной электрической цепи — не как из пушки, а двигаясь в поле годами — частицы пыли с бактериями могут быть подняты в верхний слой и достичь орбиты МКС.
Восходящий поток этой заряженной пыли непрерывно генерируется поверхностью, в частности морской средой. При генерации морских аэрозолей очень легко себе представить механизм, переносящий бактерии мирового океана в верхние слои атмосферы.
Мы исследовали пробы из Баренцева моря, из Северного Ледовитого океана и пробы с МКС и получили генетическое совпадение сиквенсов. Теперь у нас есть генетический маркер, указывающий на работу этого глобального электрического лифта.
Если микроорганизмам удалось добраться до МКС и выжить, то могут ли они отправится дальше — к другим планетам Солнечной системы?
Да, могут. Потому что они могут быть снесены частицами метеорных потоков и полететь дальше вместе с ними. Есть достаточно способов захватить земные бактерии в межпланетное пространство. Получается такая гипотеза «панспермии наоборот», анти-Аррениус: она гласит не то, что жизнь попала на Землю из космоса, а что, наоборот, Земля распространяет жизнь в космическом пространстве.
Земля как колыбель жизни непрерывно эманирует бактериальные частицы. И возможно, что вся жизнь, которую мы найдем (если найдем) на Марсе, на спутниках газовых гигантов, в конечном счете окажется земного происхождения. Мы просто не сможем строго доказать, что это не так.
Какое продолжение получат ваши эксперименты?
Теперь астробиологи получили настоящий предмет для исследования — внеземные микроорганизмы, пусть и ведущие происхождение с Земли. У ученых есть новый предмет для обсуждения: куда весь этот дисперсный материал полетит дальше?
И впереди большая работа по сбору и проверке данных. Надо ставить хорошие ловушки на МКС — механические или электрические, которые позволили бы частичкам не отскакивать при упругом соударении. Необходимо собрать в эти ловушки материал, накопить его и внимательно разобраться, насколько много в космической пыли содержится бактериальных частиц.
Есть и вторая сторона вопроса: исследование бактерий может дать и космонавтам, и будущим путешественникам на Марс новые средства антирадиационной защиты.
У бактерий можно научиться способам сохранять неповрежденную ДНК в условиях, когда каждая нуклеотидная пара должна получить один эффективный удар протона солнечного происхождения или вторичных космических лучей при их термализации.
И это просто замечательно. Возможно, нам удастся разработать новые способы антирадиационной защиты, чтобы сделать человека менее доступным для радиационного поражения.
ссылка
