Obramowane nieskończonym tłem ciemnej, pozbawionej życia przestrzeni, robotyczne ramię na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w 2015 roku zamontowało pudełko z naświetlonymi mikrobami na poręczy 250 mil nad Ziemią. Te silne bakterie nie miały żadnej ochrony przed atakiem kosmicznego ultrafioletu, promieniowania gamma i rentgenowskiego. Z powrotem na Ziemi, naukowcy zastanawiali się, czy zarazki mogą przetrwać te warunki do trzech lat, długość eksperymentu, a jeśli tak, to co wyniki mogą powiedzieć badaczom o zdolności życia do podróżowania między planetami.
Mikrobiolodzy spędzili dekady na badaniu ekstremofili, organizmów, które wytrzymują ekstremalne warunki, aby pociągnąć za tajemnicze nici tego, jak życie rozkwitło na Ziemi. Niektóre ekstremofile mogą żyć bez ochrony w przestrzeni kosmicznej przez kilka dni; inne mogą przetrwać przez lata, ale tylko dzięki wyrzeźbieniu sobie domu wewnątrz skał. Odkrycia te są podstawą teorii, że życie, jakie znamy, może przenosić się między planetami w meteorytach lub kometach. Nowe wyniki opublikowane dziś w Frontiers in Microbiology, oparte na eksperymencie przeprowadzonym na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pokazują, że bakteria Deinococcus radiodurans może przetrwać w przestrzeni kosmicznej co najmniej trzy lata. Akihiko Yamagishi, mikrobiolog z Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences, który kierował badaniem, twierdzi, że wyniki sugerują również, że życie mikrobowe może podróżować między planetami niechronione przez skały.
Badanie miało miejsce poza japońskim laboratorium Kibo na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ale na długo przed tym, jak eksperyment Yamagishi trafił na orbitę, Japońska Agencja Eksploracji Kosmosu, JAXA, chciała, aby jego zespół przekonał się o jego powodzeniu z wyprzedzeniem. „Chcieliśmy powiedzieć: 'Nie wiemy – po prostu musimy spróbować’. Ale to nie jest dozwolone w przypadku eksperymentów kosmicznych” – mówi Yamagishi. „Musieliśmy więc zastanowić się, jak ich przekonać.”
Yamagishi i jego zespół rozważali kilka gatunków bakterii, a Deinococcus radiodurans wyróżniał się jako wyjątkowy. W latach 2010-2015 jego zespół przeprowadził eksperymenty testujące D. radiodurans na symulowanych warunkach Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Wiązka promieniowania o wysokim poziomie, ciśnienie spadło do kosmicznej próżni, a temperatura wzrosła o 140 stopni Fahrenheita w ciągu zaledwie 90 minut. Stwierdzili, że komórki były niezwykle odporne na barrage stresu. „Pokazaliśmy, że przetrwają robiąc te eksperymenty na ziemi, a oni nas zaakceptowali i nam uwierzyli” – mówi. Zespół uzyskał zgodę JAXA, a ich eksperyment astrobiologiczny miał wystrzelić rakietą SpaceX w kwietniu 2015 r.
Czkawka pojawiła się w planowanym eksperymencie przed startem. Pierwotnie Yamagishi i zespół planowali, że astronauci będą przeprowadzać eksperymenty, ale dowiedzieli się, że nie mają już możliwości przeprowadzania eksperymentów naukowych na uwięzi poza Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Na szczęście zespół był w stanie zaprojektować eksperyment przy użyciu tego robotycznego ramienia.
Trzy panele bakterii poszedł w górę z rakietą SpaceX: jeden na jeden rok ekspozycji, inny na dwa lata, a inny na trzy. Po tym jak astronauci przygotowali panele, robotyczne ramię sterowane z Ziemi chwyciło panele i ustawiło je na miejscu. Każdy panel zawierał dwie małe aluminiowe płytki usiane 20 płytkimi studzienkami dla różnej wielkości mas bakterii. Jedna płytka wskazywała w dół w kierunku Międzynarodowej Stacji Kosmicznej; druga wskazywała na zewnątrz w kierunku kosmosu.
Co roku ramię robotyczne Kibo odmontowywało platformę trzymającą panele, przynosząc ją z powrotem do wnętrza ISS, aby astronauci mogli wysłać próbki z powrotem na Ziemię do analizy. Ich wyniki pokazują, że bakterie Deinococcus przetrwały trzyletni eksperyment. Komórki bakterii Deinococcus w zewnętrznych warstwach mas obumarły, ale te obumarłe zewnętrzne komórki chroniły te w środku przed nieodwracalnymi uszkodzeniami DNA. A kiedy masy były wystarczająco duże – wciąż cieńsze niż milimetr – komórki wewnątrz przetrwały przez kilka lat.
„Przypomniało mi to dokładnie strategię, którą cyjanobakterie stosują w Andach”, mówi Nathalie Cabrol, astrobiolog niezwiązana z badaniami, która kieruje Centrum Badań Instytutu Carla Sagana (Search for Extraterrestrial Intelligence – SETI). Cabrol badała, w jaki sposób cyjanobakterie, jedne z najstarszych form życia na Ziemi, znoszą intensywne promieniowanie słoneczne, organizując się w warstwy, w których komórki obumierają na zewnątrz, a przeżywają wewnątrz. Była zadowolona z tego, co te wyniki mogą nam powiedzieć o ekstremofilach na Ziemi.
Poza samymi warstwami ochronnymi komórki w masach, D. radiodurans, są nadzwyczaj odporne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem. Ich geny kodują dla unikalnych białek, które naprawiają DNA. Podczas gdy ludzkie komórki posiadają około dwóch kopii DNA, a większość komórek bakteryjnych jedną, D. radiodurans zawierają do 10 nadmiarowych kopii. Posiadanie większej liczby kopii ważnych genów oznacza, że komórki mogą produkować więcej kopii białek, które naprawiają DNA uszkodzone przez promieniowanie. Ten wrodzony mechanizm obronny, w połączeniu z ochronnymi zewnętrznymi warstwami komórek, utrzymał mikroby przy życiu pomimo poziomów promieniowania ponad 200 razy wyższych niż te na Ziemi.
Używając swoich danych dotyczących tego, jak każdy dodatkowy rok wpłynął na komórki, zespół przewiduje, że podróżujące masy D. radiodurans mogłyby przetrwać od dwóch do ośmiu lat pomiędzy Ziemią a Marsem – i odwrotnie. „Więc możliwe jest przetrwanie podczas transportu,” mówi. „To mówi nam, że musimy rozważyć pochodzenie życia nie tylko na Ziemi, ale także na Marsie.”
D. radiodurans nie jest jedynym znanym organizmem, który może przetrwać w przestrzeni kosmicznej. Poprzednie badania wykazały, że tardigrades wytrzymują tylko 10 dni w bezpośredniej ekspozycji. Naukowcy testowali również bakterie Bacillus i Deinococcus na długich odcinkach na orbicie, ale tylko z ochroną przed toksycznym promieniowaniem.
” zaproponować, że zarodniki mikrobów mogą przetrwać wewnątrz skał – to litopanspermia”, mówi Yamagishi. Litopanspermia jest odmianą teorii panspermii, która zakłada, że życie na Ziemi mogło powstać z mikrobów z innej planety. Ale Yamagishi twierdzi, że jego wyniki dotyczące ekstremofilów, które wytrzymały bezpośrednią ekspozycję przez lata bez skał, są powodem do stworzenia nowego terminu: massapanspermia. Teoria ta sugeruje, że mikroby mogły wylądować na Ziemi w kępach, a nie w skałach.
Jednakże inni eksperci wahają się, czy przyjąć massapanspermię.
„Byłam już jakby sprzedana na pomysł, że życie mogło przenieść się między Ziemią a Marsem”, mówi Natalie Grefenstette, astrobiolog teoretyczny z Instytutu Santa Fe, nie powiązana z tą pracą. Dowody na litopanspermię przekonały ją, że przenoszenie życia jest możliwe, ale widzi jedno poważne ograniczenie dla massapanspermii: swobodnie pływające masy komórek musiałyby przetrwać wyrzucenie z jednej planety i ponowne wejście na drugą. „To są ogromne wymagania” – mówi. Podejrzewa, że podróżująca kępa odsłoniętych komórek spłonęłaby jak meteory przed lądowaniem.
Cabrol również kwestionuje możliwość massapanspermii. „Pokazanie, że radiodurany mogą przetrwać trzy lata, jeśli są warstwowe, jest bardzo dalekie od liczb, których potrzebujemy, aby radiodurany były w stanie wykonać skok na Marsa”. Chociaż wieloletnie podróże są teoretycznie możliwe, naukowcy szacują, że może to zająć do kilku milionów lat dla materii, aby opuścić jedną planetę i wylądować na innej w obrębie układu słonecznego.
„Znaczenie tego badania jest mniejsze w udowodnieniu, że massapanspermia lub panspermia są możliwe”, mówi Cabrol. „Ale dla mnie pokazuje, że musimy być niezwykle ostrożni z naszymi zanieczyszczeniami, kiedy udajemy się na Marsa.”
Wiele krajów podpisało Traktat o Przestrzeni Zewnętrznej, który zabrania im przynoszenia (i rozlewania) mikrobów na inne planety. Jeśli statek kosmiczny przypadkowo rozsypałby mikroby na Marsie, na przykład, to zakłóciłoby to przyszłe misje mające na celu znalezienie życia na tej planecie. Naukowcy nie wiedzieliby z absolutną pewnością, czy wykrywają marsjańskie mikroby. NASA zadała sobie wiele trudu, aby wysterylizować łazik Mars 2020, piekąc go w sterylnych temperaturach i wycierając każdą część sterylną odzieżą. Badanie to podkreśla, jak zaskakująco ważne jest, aby utrzymać każdy statek kosmiczny całkowicie wolny od mikrobów.
Yamagishi ma nadzieję przeprowadzić więcej eksperymentów ekspozycji nawet dalej od Ziemi, w tym na proponowanej przez NASA Bramie Księżycowej w pobliżu Księżyca. Aby odpowiedzieć na pytania dotyczące pochodzenia życia, jego zespół opracowuje mikroskop do poszukiwania życia pod powierzchnią Marsa.
„W środowiskach, w których nie sądziliśmy, że życie może przetrwać, teraz wiemy, że może”, mówi Grefenstette. „To badanie pokazuje, że również – więc ciągle przesuwamy tę barierę tego, co może osiągnąć życie na Ziemi.”
.