Поиски жизни в Солнечной системе - Норман Хоровиц

Может быть, эти микроорганизмы способны переносить низкую водную активность окружающей среды благодаря тому, что могут поддерживать высокую водную активность внутри клеток, т. е. там, где протекают основные химические процессы? Нет, это не так. Клеточные мембраны хорошо проницаемы для воды, так что предложенное объяснение неверно. Дело в том, что эти организмы научились жить при такой водной активности среды. (В обзоре А. Д. Брауна [3] описаны различные физиологические механизмы, которые делают возможной такую адаптацию.)

Жизнь в антарктической пустыне. Биологические исследования, проведенные в одной из самых суровых пустынь на Земле (и единственной, которая по своим условиям в какой-то степени приближается к марсианским), стали возможны после проведения Международного геофизического года (1957–1958), когда было привлечено внимание к отдаленному антарктическому континенту. Одним из результатов МГТ стал международный договор, ратифицированный в 1959 г. шестью государствами, который провозгласил Антарктиду немилитаризованной зоной, сохраняемой для научных исследований на протяжении 30 лет.

Известно, что этот континент покрыт огромной ледяной шапкой, но после проведения МГГ многие люди с удивлением узнали, что там есть области, свободные ото льда. Самая большая из них-холодная пустыня площадью в несколько тысяч квадратных километров, обычно называемая "сухие долины", — расположена недалеко от американской полярной станции Мак-Мердо в южной части Земли Виктории. Основной экологической особенностью этих долин является сочетание низкой температуры и дефицита жидкой воды. Средняя годовая температура воздуха составляет около -2 °C, а средняя температура в летнее время близка к 0 °C. Осадки редки — приблизительно 10 см в год (всегда только в виде снега). Незначительность осадков обусловлена ограниченной способностью холодной атмосферы удерживать пары воды. Эта область, отсеченная от основного движения ледников и от внутренних районов континента Трансантарктическими горами, свободна ото льда и насквозь продувается сильными и холодными, но очень сухими ветрами, постоянно дующими с высокого антарктического купола в сторону океана. Ветры способствуют испарению снега, сопровождаемому слабым таянием.

Есть основания полагать, что эти долины иссушались на протяжении тысяч лет. Хотя соленые озера и водоемы, питаемые в течение короткого антарктического лета талой водой ледников, не имеют стока, так как расположены на замерзшем грунте, объем воды в них меньше, чем они могут вместить. Эта разница обусловлена потерями при испарении. У некоторых озер есть террасы с сухими останками водорослей, отмечающие более высокий уровень воды в прошлом. Определение абсолютного возраста этих водорослей методом радиоуглеродного хронометрирования показало, что 3000 лет назад уровень, например, озера Ванда был на 56 м выше, чем сейчас. По оценкам возраст всей системы сухих долин лежит в пределах от 10 до 100 тыс. лет.

Жизнь в этих долинах почти целиком представлена микроорганизмами. По береговым линиям встречаются обильные популяции морских водорослей и цианобактерий (раньше их называли сине-зелеными водорослями). Эти организмы, осуществляющие фотосинтез, поддерживают жизнь больших популяций бактерий, дрожжей и плесневых грибков. Попадаются также микроскопические животные: простейшие, коловратки и тихоходки. Количество организмов заметно уменьшается по мере удаления от ручьев и водоемов. На сухих возвышенностях долин отсутствуют даже лишайники — самые стойкие среди наземных антарктических организмов. Уильям Бойд, один из первых исследователей этого района, сообщал, что в некоторых образцах почвы из наиболее засушливых районов вообще не удается обнаружить бактерий. Позднее такой же результат получила целая группа биологов. Рой Кэмерон, специалист по почвенной микробиологии из Лаборатории реактивного движения, в течение восьми сезонов исследовал сотни проб грунта, взятых в этой пустыне. Приблизительно в 10 % из них микроорганизмов обнаружить не удалось, а в большей части других их количество было очень незначительным. Роберт Бенуа и Кэлеб Холл получили сходные результаты. "На тех участках, где почва получает минимальное количество воды, писали они, — поверхностный слой толщиной в дюйм (~2,5 см) чаще всего был полностью абиотическим (т. е. лишенным каких-либо форм жизни) или содержал менее 10 бактерий на грамм почвы". В пробах, взятых из более глубоких слоев, микроорганизмы обычно присутствовали, но на одном участке Бенуа и Холл не смогли обнаружить никаких бактерий в слое глубиной в метр.

Так как при увлажнении эти почвы способны поддерживать жизнь, можно заключить, что именно вода является фактором, лимитирующим возможность ее существования в почвах сухих долин. Низкая же температура не относится к таким факторам: действительно, многие микроорганизмы в той области, особенно живущие в более низких и увлажненных местах, могут расти и осуществлять фотосинтез при температурах около 0 С. В то же время, несмотря на обилие засоленных участков почвы и водоемов, у организмов, обитающих в этих долинах, редко обнаруживается приспособленность к низкой водной активности. Этот и некоторые другие факты свидетельствуют о том, что небольшие популяции микробов, обнаруженные в сухих почвах, не местного происхождения, а занесены ветрами из других, более благоприятных для жизни районов. Такие организмы находят подходящие для себя условия только на некоторых ограниченных, защищенных участках сухих долин. Кэмерон, например, обнаружил водоросли, растущие на нижней стороне полупрозрачной гальки, где они были защищены от высыхания, а Имре Фридман установил, что бактерии и лишайники могут жить внутри полупрозрачных пористых скальных пород, под поверхностями, обращенными к северу и получающими достаточно солнечного света, чтобы растаял снег, который затем впитывается в породу.

Характерная для сухих долин скудность микробной жизни, обусловленная постоянной засухой, свойственна также и озерцу Дон Жуан — мелкому водоему площадью 4–8 га, который из всех водоемов нашей планеты, по-видимому, более всего похож на гипотетические (и, возможно, не существующие) марсианские лужи (фото 8). Когда это озерцо впервые обнаружили в 1961 г., оно было незамерзшим, хотя температура воды составляла -24 °C. Различные наблюдатели впоследствии отмечали, что точка его замерзания лежит в интервале температур — (48–57) °С. Этот водоем насыщен хлоридом кальция, который кристаллизуется в виде гексагидрата СаСl*6Н2О. Кристаллы, обнаруженные в озерце Дон Жуан, а до этого известные лишь по лабораторным экспериментам, получили минералогическое название — антарктицит. Их образование стало возможным в результате совместного воздействия характерных для этих мест очень низких температур и высокой сухости воздуха.

Время от времени два пресноводных ручья, питающих озерцо, вероятно, приносят в него микроорганизмы, и поэтому не удивительно, что их там иногда обнаруживали. Первое сообщение о микроорганизмах, обитающих в этом водоеме с водной активностью около 0,40 (табл. 5), оказалось, однако, неожиданностью и впоследствии не подтвердилось. Озерцо, по-видимому, практически стерильно: это согласуется с тем фактом, что среди микроорганизмов этих долин редко встречаются устойчивые к высоким концентрациям солей.

Результаты этих исследований Антарктиды вопреки распространенному мнению свидетельствуют о том, что адаптационные возможности жизни не безграничны. Правильнее считать, что условия, при которых жизнь может существовать, фактически довольно ограниченны.

Хотя способы адаптации организмов к жизни в пустынях при дефиците воды очень оригинальны и подчас удивительны, все они практически теряют смысл, если их оценивать с точки зрения исключительной сухости Марса. В качестве возможных моделей марсианских форм жизни среди всех известных на Земле видов, пожалуй, можно рассматривать только лишайники, способные использовать пары воды. Все другие виды прямо или косвенно нуждаются в жидкой воде.

К этим видам относятся и насекомые, о которых говорилось выше, так как водяные пары — это только добавка к их основному источнику воды, каковым являются углеводы растений. Нет сведений, что лишайники могут поглощать пары воды при относительной влажности ниже 80 %, кроме того, те не способны заселять сухие долины Антарктиды — а ведь они по марсианским стандартам отличаются высокой влажностью. По-видимому, если на Марсе жизнь и существует, то в смысле использования воды она должна основываться на каких-то иных принципах, чем земная жизнь.

К первым сообщениям о стерильных почвах Антарктиды все отнеслись скептически. Говорить "стерильная почва" — это значит демонстрировать микробиологическую безграмотность: ведь каждый биолог знает, что микроорганизмы являются существенным компонентом того, что мы обычно называем "почва", т. е., попросту говоря, материала, на котором растут растения. Поскольку растения не растут в сухих долинах, можно спорить о том, следует ли называть поверхностное вещество их грунта почвой. Во всяком случае, непригодность сухих долин антарктической пустыни для жизни стала рассматриваться всерьез лишь после того, как накопилось достаточно доказательств.