Стенфорд знайшов життя в «непридатних для життя» умовах

Стенфордське дослідження мікробів у надзвичайно солоній воді показує, що життя може виживати в умовах, які раніше вважалися непридатними для життя. Дослідження розширює можливості для виявлення життя в нашій Сонячній системі та показує, як зміни солоності можуть вплинути на життя у водних середовищах існування на Землі.

Нове дослідження під керівництвом вчених Стенфордського університету передбачає, що життя може зберігатися в надзвичайно солоному середовищі, що перевищує межі, які раніше вважалися можливими.

Дослідження, опубліковане 22 грудня в Science Advances , базується на аналізі метаболічної активності в тисячах окремих клітин, знайдених у розсолах промислових ставків на узбережжі Південної Каліфорнії, де вода випаровується з морської води для збору солі. Результати розширюють наше розуміння потенційного житлового простору в нашій Сонячній системі та можливих наслідків того, що деякі земні водні середовища стануть більш солоними в результаті посухи та відтоку води.

Пошуки позаземного життя

«Ми не можемо шукати скрізь, тому нам потрібно дуже обдумано визначити, де і як ми намагаємося знайти життя на інших планетах», — сказала старший автор дослідження Енн Декас, доцент кафедри системних наук Землі в Стенфордській школі сталого розвитку Доерр. . «Наявність якомога більшої інформації про те, де і як життя виживає в екстремальних умовах на Землі, дозволяє нам визначати пріоритети цілей для місій з виявлення життя в інших місцях і підвищує наші шанси на успіх».

Вчені, зацікавлені у виявленні життя за межами Землі, давно вивчають солоне середовище, знаючи, що рідка вода необхідна для життя, а сіль дозволяє воді залишатися рідкою в більш широкому діапазоні температур. Сіль також може зберігати ознаки життя, як солоні огірки в розсолі. «Ми вважаємо, що солоні місця є хорошими кандидатами для пошуку ознак минулого чи теперішнього життя», — сказала провідний автор дослідження Емілі Періс, аспірант із системних наук про Землю, яка є частиною Dekas Lab. «Сіль може бути саме тим, що робить іншу планету придатною для життя, хоча вона також є інгібітором життя у високих концентраціях на Землі».

«Наявність якомога більшої інформації про те, де і як життя виживає в екстремальних умовах на Землі, дозволяє нам визначати пріоритети цілей для місій з виявлення життя в інших місцях і підвищує наші шанси на успіх».

— Енн Декас, доцент кафедри системних наук Землі

Нове дослідження є частиною великої співпраці під назвою Oceans Across Space and Time під керівництвом професора Корнельського університету Брітні Шмідт і фінансується Програмою астробіології NASA, яка об’єднує мікробіологів, геохіміків і планетологів. Їхня мета: зрозуміти, як океанські світи та життя спільно еволюціонують, щоб створити видимі ознаки життя, минулого чи теперішнього. Розуміння умов, які роблять світ океану придатним для життя, і розробка кращих способів виявлення сигналів біологічної активності є кроками до передбачення того, де в Сонячній системі можна знайти життя.

Вплив зміни солоності на Землю

Періс каже, що ми також повинні розглянути, як зміна солоності впливає на екосистеми тут, на Землі. Наприклад, зниження рівня води у Великому солоному озері в штаті Юта спричинило підвищення солоності, що може вплинути на життя на всіх етапах харчового ланцюга.

Відкриття життя в найсолоніших водах Землі

Мандрівники, які літають над соляними ставками, наприклад, на соляних заводах Саут-Бей, де були зібрані зразки для цього дослідження, або вздовж затоки Сан-Франциско, можуть побачити калейдоскоп деяких із найсильніших мікробів Землі, які світяться неоново-зеленим, іржаво-червоним, рожевим і оранжевим кольором. Різноманітність кольорів відображає набір водних мікробів, пристосованих до виживання при різних рівнях солоності, або те, що вчені називають «активністю води» — кількість води, доступної для біологічних реакцій, які дозволяють мікробам рости.

«Нам цікаво дізнатися, в який момент активність води стає надто низькою, солоність стає надто високою, і де життя мікроорганізмів більше не може вижити», — сказав Періс. Морська вода має рівень активності води приблизно 0,98 у порівнянні з 1 для чистої води. Більшість мікробів перестають ділитися при рівні активності води 0,9, а абсолютний найнижчий рівень активності води, який, як повідомляється, підтримує поділ клітин у лабораторних умовах, становить трохи більше 0,63.

У новому дослідженні дослідники передбачили нову межу життя. Вони оцінюють, що життя може бути активним на рівні 0,54.

Стенфордські вчені об’єдналися з колегами з усієї країни, щоб зібрати зразки з соляних заводів Саут-Бей, де знаходяться одні з найсолоніших вод на Землі. Вони наповнили сотні пляшок розсолом зі ставків із різним рівнем солоності на соляних заводах, а потім відвезли їх назад до Стенфорда для аналізу.

Знайти життя швидше

У попередніх дослідженнях, які шукали межу водної активності життя, використовувалися чисті культури для пошуку точки, в якій зупиняється поділ клітин, що позначає кінцеву точку життя. Але в цих екстремальних умовах життя подвоюється дуже повільно. Якщо дослідники покладаються на поділ клітин як на тест, коли життя припиняється, вони стикаються з багаторічними лабораторними експериментами, які не є практичними для аспірантів, таких як Періс. Навіть якщо вони проводяться, дослідження поділу клітин не вказують, коли життя вмирає; дійсно, клітини можуть бути метаболічно активними і все ще дуже живими, навіть якщо не реплікуються.

Тож Періс і Декас досліджували мікроби з соляних ставків під відкритим небом, щоб визначити іншу межу життя – межу клітинної активності.

Дослідницька група внесла три ключові покращення до попередніх досліджень. По-перше, замість використання чистих культур, які є стандартним найкращим припущенням вчених щодо того, який конкретний вид чи штам мікробів буде найбільш стійким, вони пішли до справжньої екосистеми. На соляних заводах природно вибране середовище для складної спільноти організмів, найкраще адаптованих до цих конкретних умов.

По-друге, дослідники використовували більш гнучке визначення життя. Ознакою життя вони вважали не тільки поділ клітини, але й побудову клітини. «Це трохи схоже на спостереження за людиною, яка їсть їжу або росте. Це ознака активного життя та необхідний попередник реплікації, але набагато швидший для спостереження», — сказав Декас.

У сотнях зразків розсолу – деякі з них були настільки солоними, що були густими, як сироп – вони визначили рівень активності води та кількість вуглецю та азоту, які були включені в клітини, знайдені в розсолах. Завдяки цьому підходу вони змогли виявити, коли клітина збільшила свою біомасу лише на половину 1%. Навпаки, звичайні методи, спрямовані на поділ клітин, можуть виявити біологічну активність лише після того, як клітини приблизно подвоїли свою біомасу. Потім, ґрунтуючись на тому, як цей процес сповільнювався в міру зниження активності води, вчені передбачили, що його відключення повністю припиниться.

По-третє, в той час як інші вчені вимірювали вміст вуглецю та азоту в розсолах на масовому рівні, команда Стенфордського університету провела клітинний аналіз за допомогою рідкісного інструменту в Стенфорді під назвою nanoSIMS – одного з небагатьох у країні. Ця чутлива техніка дозволила їм спостерігати за активністю в окремих клітинах посеред інших «маринованих» клітин, присутність яких приховала б сигнал активності в масовому аналізі, і досягти їх низької межі виявлення.