Inom en oändlig bakgrund av mörka, livlösa rymden monterade en robotarm på den internationella rymdstationen 2015 en låda med exponerade bakterier på en ledstång 250 miles över jorden. De hjärtliga bakterierna hade inget skydd mot en anstormning av kosmisk ultraviolett-, gamma- och röntgenstrålning. Tillbaka på jorden undrade forskarna om bakterierna skulle kunna överleva dessa förhållanden i upp till tre år, experimentets längd, och om de gjorde det, vad resultaten skulle kunna berätta för forskarna om livets förmåga att resa mellan planeter.
Mikrobiologer har ägnat årtionden åt att studera extremofila organismer, organismer som uthärdar extrema förhållanden, för att dra åt de mystiska trådarna om hur livet blomstrade på jorden. Vissa extremofiler kan leva oskyddade i rymden i flera dagar; andra kan klara sig i åratal, men bara genom att skapa sig ett hem inuti stenar. Dessa fynd underbygger teorin om att liv som vi känner det kan överföras mellan planeter i meteoriter eller kometer. Nu visar nya rön som i dag publiceras i Frontiers in Microbiology, baserade på experimentet på den internationella rymdstationen, att bakterien Deinococcus radiodurans kan överleva minst tre år i rymden. Akihiko Yamagishi, en mikrobiolog vid Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences som ledde studien, säger att resultaten också tyder på att mikrobiellt liv skulle kunna resa mellan planeter utan att skyddas av stenar.
Studien ägde rum utanför Japans Kibo-laboratorium på den internationella rymdstationen. Men långt innan Yamagishis experiment hamnade i omloppsbana ville Japans rymdforskningsbyrå, JAXA, att hans team skulle övertyga dem om att det skulle lyckas i förväg. ”Vi ville säga: ’Vi vet inte – vi måste bara försöka’. Men det är inte tillåtet för rymdexperiment”, säger Yamagishi. ”Så vi var tvungna att fundera på hur vi skulle övertyga dem.”
Yamagishi och hans team hade övervägt flera bakteriearter, och Deinococcus radiodurans framstod som exceptionell. Mellan 2010 och 2015 genomförde hans team experiment där D. radiodurans testades mot simulerade förhållanden på den internationella rymdstationen. De strålade insekterna med höga strålningsnivåer, sänkte trycket till ett rymdliknande vakuum och ändrade temperaturen till 140 grader Fahrenheit på bara 90 minuter. De fann att cellerna var anmärkningsvärt motståndskraftiga mot denna stress. ”Vi visade att vi kommer att överleva genom att göra dessa experiment på marken, och de accepterade oss och trodde på oss”, säger han. Teamet fick JAXA:s godkännande, och deras astrobiologiska experiment skulle skjutas upp med en SpaceX-raket i april 2015.
Ett hicka kom till det planerade experimentet före uppskjutningen. Ursprungligen planerade Yamagishi och teamet att låta astronauter utföra experimenten, men de fick reda på att de inte längre hade möjlighet att genomföra ”bundna” vetenskapliga experiment utanför den internationella rymdstationen. Lyckligtvis kunde teamet utforma ett experiment med hjälp av robotarmen.
Tre paneler med bakterier flögs upp med SpaceX-raketen: en för ett års exponering, en annan för två år och en annan för tre år. När astronauterna hade förberett panelerna tog en robotarm som styrdes från jorden tag i panelerna och satte dem på plats. Varje panel innehöll två små aluminiumplattor prickade med 20 grunda brunnar för olika stora bakteriemassor. Den ena plattan pekade ner mot den internationella rymdstationen, den andra pekade ut mot kosmos.
Varje år monterade Kibos robotarm av plattformen med panelerna och förde den tillbaka in i den internationella rymdstationen så att astronauterna kunde skicka tillbaka prover till jorden för analys. Deras resultat visar att Deinococcus-bakterierna överlevde det treåriga experimentet. Deinococcus-bakteriecellerna i massornas yttre lager dog, men dessa döda yttre celler skyddade de inre från irreparabla DNA-skador. Och när massorna var tillräckligt stora – fortfarande tunnare än en millimeter – överlevde cellerna inuti i flera år.
”Det påminde mig exakt om den strategi som cyanobakterier använder i Anderna”, säger Nathalie Cabrol, en astrobiolog som inte har någon koppling till studien och som leder Carl Sagan Center for Research vid Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute. Cabrol har studerat hur cyanobakterier, en av jordens äldsta livsformer, uthärdar den intensiva solstrålningen genom att organisera sig i lager där cellerna dör på utsidan och överlever på insidan. Hon var nöjd med vad dessa resultat kan berätta för oss om extremofiler på jorden.
Bortom de skyddande cellskikten i massorna är D. radiodurans anmärkningsvärt motståndskraftiga mot skador från strålning. Deras gener kodar för unika proteiner som reparerar DNA. Medan mänskliga celler bär omkring två kopior av DNA och de flesta bakterieceller bär en, innehåller D. radiodurans upp till 10 redundanta kopior. Att ha fler kopior av viktiga gener innebär att cellerna kan producera fler kopior av de proteiner som reparerar DNA som skadats av strålning. Denna inneboende försvarsmekanism, i kombination med skyddande yttre lager av celler, höll mikroberna vid liv trots strålningsnivåer som var över 200 gånger högre än på jorden.
Med hjälp av sina uppgifter om hur varje ytterligare år påverkade cellerna förutspår teamet att resande D. radiodurans-massor skulle kunna överleva två till åtta år mellan jorden och Mars – och vice versa. ”Så det är möjligt att överleva under transporten”, säger han. ”Det säger oss att vi måste överväga livets ursprung inte bara på jorden utan också på Mars.”
D. radiodurans är inte den enda organism som är känd för att överleva i rymden. Tidigare studier har visat att tardigrader endast klarar sig 10 dagar i direkt exponering. Forskare har också testat Bacillus- och Deinococcus-bakterier för långa sträckor i omloppsbana, men endast med skydd mot giftig strålning.
” föreslå att mikrobsporer skulle kunna överleva inuti sten – det är lithopanspermi”, säger Yamagishi. Lithopanspermi är en variant av teorin om panspermi, där man antar att livet på jorden kan ha uppstått från mikrober från en annan planet. Men Yamagishi säger att hans resultat av extremofiler som klarar av direkt exponering i åratal utan stenar ger upphov till en ny term: massapanspermi. Denna teori föreslår att mikrober kan ha landat på jorden i klumpar, snarare än i stenar.
Däremot är andra experter tveksamma till att omfamna massapanspermi.
”Jag var redan ganska såld på idén att livet kan ha överförts mellan jorden och Mars”, säger Natalie Grefenstette, en teoretisk astrobiolog vid Santa Fe-institutet som inte är knuten till arbetet. Bevisen för lithopanspermi övertygade henne om att det är möjligt att överföra liv, men hon ser en stor begränsning för massapanspermi: fritt flytande cellmassor skulle behöva överleva utskjutning från en planet och återinträde på en annan. ”Det är enorma krav”, säger hon. Hon misstänker att en resande klump av exponerade celler skulle brinna upp som meteorer innan de landar.
Cabrol ifrågasätter också möjligheten av massapanspermi. ”Att visa att radiodurans kan överleva i tre år om den är skiktad är väldigt långt ifrån de siffror vi behöver för att radiodurans ska kunna ta språnget till Mars”. Även om årslånga resor är teoretiskt möjliga, uppskattar forskarna att det kan ta upp till flera miljoner år för materia att lämna en planet och landa på en annan inom solsystemet.
”Relevansen av den här studien ligger mindre i att bevisa att massapanspermi eller panspermi är möjligt”, säger Cabrol. ”Men för mig visar den att vi måste vara extremt försiktiga med vår kontaminering när vi åker till Mars.”
Många länder har undertecknat fördraget om yttre rymden, som förbjuder dem att ta med sig (och spilla) mikrober till andra planeter. Om en rymdfarkost av misstag skulle spilla ut mikrober på Mars, till exempel, skulle det förstöra framtida uppdrag för att hitta liv på planeten. Forskarna skulle inte veta med absolut säkerhet om de upptäckte marsianska mikrober. NASA gjorde stora ansträngningar för att sterilisera Mars 2020-rovern, genom att baka den i sterila temperaturer och torka av varje del med sterila kläder. Den här studien understryker hur förvånansvärt viktigt det är att hålla alla rymdfarkoster helt fria från mikrober.
Yamagishi hoppas kunna utföra fler exponeringsexperiment ännu längre bort från jorden, bland annat på NASA:s föreslagna Lunar Gateway nära månen. Och för att främja frågor om livets ursprung håller hans grupp på att utveckla ett mikroskop för att söka efter liv under Mars yta.
”I miljöer där vi inte trodde att liv kunde överleva vet vi nu att det kan göra det”, säger Grefenstette. ”Den här studien visar det också – så vi flyttar hela tiden på barriären för vad livet på jorden kan uppnå.”