|
Для выживания жизни нужно немного воды
|
|
|
|
«Ищи воду» долгое время было мантрой наших научных поисков внеземной жизни в Солнечной системе и за ее пределами. Мы продолжаем искать условия, при которых вода может оставаться жидкой на поверхности планеты или в другом месте в пределах планетарного тела. В таком подходе есть смысл. Жизни, какой мы ее знаем, вода необходима для сложной химии, которая позволяет расти и размножаться. Везде, где есть вода, у жизни есть шанс — так мы думаем.
|
|
|
|
«В принципе, все активные клеточные системы живут в водной среде, — говорит Джон Холсворт, микробиолог из Королевского университета в Белфасте. — Без водной среды внутри клетки и снаружи, микробы могут умереть, или, в лучшем случае, решат уйти в подобие спячки».
|
 |
|
Рождается хороший вопрос: насколько вода нуждается в жизни? Недавнее исследование, проведенное Холсвортом и его коллегами, показало, что ответ заключается не столько в количестве воды, сколько в ее концентрации.
|
|
|
|
Вода, в которой мы завариваем чай, прекрасно вмещает другие молекулы в свою жидкую среду. Помимо этого, вода является мощным растворителем и с легкостью растворяет соли в океанах и минералы на земле. В результате вода может стать неприятной или даже токсичной для жизни, в зависимости от того, что будет в ней растворено. Жизни необходима «биологически доступная» вода, извлекаемая из окружающей среды.
|
|
|
|
«Хотя это может показаться нелогичным, количество воды, присутствующей в потенциально обитаемой среде, не является мерой того, насколько биологически доступными являются молекулы воды, — говорит Холлсворт. — В качестве определяющего фактора для жизненных процессов выступает концентрация молекул воды».
|
|
|
|
Мера биологической доступности воды называется «активность воды». Холлсворт говорит, что в клетках она работает так же, как топливная смесь в двигателях. Двигатель может быть сконструирован для работы с топливом в виде 95% этанола и 5% воды, и количество воды не имеет такого значения, как ее относительная концентрация в смеси.
|
|
|
|
«Такой двигатель может заработать и функционировать одинаково вне зависимости от того, будет там литр или сто топлива в топливном баке».
|
|
|
|
Однако если тонкое соотношение этанола и воды нарушается, «двигатель становится менее эффективным и начинает барахлить». Если соотношение топливной смеси пересекает критический порог, «двигатель и вовсе может перестать работать», что можно сравнить со смертью или неактивностью живого организма.
|
|
|
|
В своей новой работе Холлсворт и его коллеги изучили минимальный уровень активности воды, необходимый жизни на Земле. Также авторы попытались определить, что этот уровень будет означать для поиска жизни во Вселенной. Хорошая новость: на первый взгляд пустынные, засушливые места в нашей Солнечной системе могут поддерживать довольно высокий уровень активности воды, в условиях которого могут развиваться определенные микробы. По сути, некоторые внеземные условия не особо отличаются от мест на Земле, в которых выживают так называемые «экстремофилы» — микробы, переживающие перепады температур, высокое давление и низкую активность воды.
|
|
|
|
«Есть предельный лимит активности воды даже для самых устойчивых форм жизни, — говорит Холлсворт. — Поэтому мы определили типы водных сред, которые существуют в нынешней Солнечной системе, и выяснили, что некоторые из этих мест напоминают плодородные микробные жилища на Земле».
|
|
|
|
Как далеко вы можете зайти?
|
|
|
|
Хотя подавляющее большинство земных организмов живет в окрестностях с высокой активностью воды, планета точно не является сухой. Минимальная активность воды для жизни составляет порядка 0,600 — эквивалент 60% относительной влажности, показатель, который мы ассоциируем с погодой. Максимальная активность чистой воды имеет произвольное значение 1.
|
|
|
|
Все три домена жизни на Земле обладают своими рекордсменами-организмами, которые живут при активности воды в 0,600 или немного выше (этот уровень влажности считается низким). Для эукариот, домена, в который входят люди и другие животные, первое место занимают дрожжи под названием Xeromyces bisporus. Эта форма гнездится в сухой сладкой среде и может приводить к порче продуктов.
|
|
|
|
Ученые впервые обнаружили удивительную способность этих дрожжей расти при уровне активности воды 0,605 в 1968 году. На протяжении десятилетий, вместе с десятком других грибов, X. bisporus полностью занимала диапазон до показателя активности воды в 0,700. Два других домена жизни — бактерии и археи — которые включают только одноклеточных существ, известных как прокариоты, могут выживать при активности воды в 0,755.
|
|
|
|
Это существенное различие завело размышления ученых о происхождении жизни на Земле в тупик. Считается, что прокариотические клетки, которые проще эукариотических, были первыми видами жизни. Вероятнее всего, прокариоты царили на планете за миллиарды лет до расцвета эукариот.
|
|
|
|
Тем не менее самые ранние свидетельства жизни указывают на то, что она появилась в соленых средах с относительно низкой активностью воды. К примеру, слои микробов образовали строматолиты в прибрежной среде, окаменелости которых мы изучаем сегодня. В приливных зонах, где возникали сообщества таких микробов, соли должны были накапливаться на строматолитах по мере того, как выпаривалась вода, оставшаяся от прилива. К тому же миллиарды лет назад океаны должны были быть в два раза соленее, чем сегодня. Каким-то непостижимым образом первобытные организмы справлялись с повышенными дозами соли.
|
|
|
|
Недавние исследования, проведенные Холлсвортом и его коллегами, предложили решение. Некоторые прокариоты, как выяснилось, могут иметь дело с такими перенасыщенными солью условиями, наряду с любителями низкой влажности, дрожжами X. bisporus. Многие годы ученые утверждали, что жизнь может функционировать и при активности воды ниже 0,600, но со временем это так и не подтвердилось.
|
|
|
|
Все свидетельства на сегодняшний день подтверждают, что активность воды в диапазоне от 0,690 до 0,600 представляет собой «биофизическую кромку функциональной биосферы Земли».
|
|
|
|
Тише едешь — дальше будешь
|
|
|
|
Этот диапазон активности воды охватывает сценарии, при которых вода не должна существовать в своей дружелюбной текучей форме. От пара до льда, вода представляет собой динамическую молекулу с относительно небольшим температурным разбросом.
|
|
|
|
На Земле даже тонкая пленка воды, собранная с открытых скал, может быть рогом изобилия для микробов. Предыдущие исследования подтвердили, что слой воды толщиной в три молекулы может быть достаточным для биологической доступности.
|
|
|
|
На холодном засушливом Марсе пленка такой толщины может существовать либо в форме льда, либо в минералах. Кристаллы соли, к примеру, могут поглощать небольшую влажность марсианской атмосферы и образовывать тонкое солоноватое покрытие. Вода, заключенная в минералах, или же, что более интересно, в подводных месторождениях талой воды, может также обеспечивать микробов необходимой поддержкой для размножения. Когда окружающая среда снова становится сухой, микробы могут уйти в неактивное состояние, как они делают это на Земле. Более того, в своем теплом и влажном прошлом Марс мог обладать водоемами соленой воды, которые могли быть эквивалентны земным в плане активности воды.
|
|
|
|
Кроме Марса, одним из лучших мест для поддержания внеземной жизни в Солнечной системе считается луна Юпитера Европа. Ее химия на поверхности говорит о том, что на луне могли образоваться рассолы с вполне приемлемой активностью воды. Другие факторы вроде экстремального холода и низкого давления, конечно, могли сыграть свою роль — но так везде. Потенциально теплые и влажные недра Европы, тем не менее, представляют еще один вариант для выживания, вполне подходящий жизни такой, как мы ее знаем.
|
|
|
|
Многие другие места в Солнечной системе теоретически могут обладают нужным уровнем активности воды для развития экстремофилов. Богатая гейзерами луна Сатурна Энцелад, например, и даже астероиды вполне могут обладать подходящими регионами с активностью воды.
|
|
|
|
Работа Холлсворта раздувает дебаты относительно того, может ли жизнеформа пройти весь жизненный цикл без какого-либо внешнего источника воды. Пока у клетки есть немного воды внутри, полученной первоначально, она может развиваться и пройти через все репродуктивные этапы. Но доказательств этому пока нет. Холлсворт надеется их найти, и рано говорить «нет», пока мы не разубедимся в древней мудрости: жизнь всегда найдет выход.
|
|
|
|
Распространение земных микробов
|
|
|
|
В целом, поскольку активность воды не создает серьезных ограничений для жизни в определенных местах Солнечной системы, нет никаких гарантий, что и в других местах нашей звездной системы у планетарных тел возникнут проблемы с этим.
|
|
|
|
Имея это в виду, Холлсворт уделяет часть работы вопросам людей-исследователей или роботизированных зондов, которые могут случайно посеять земную жизнь на других мирах. Мы знаем, что к этому космические агентства относятся очень серьезно. NASA, к примеру, ввела программу планетарной защиты, чтобы убедиться, что ни один микроб случайно не отправится в поездку на Марс или еще куда-нибудь. Инженеры строят марсоходы в стерильных «чистых комнатах», чтобы снизить уровень возможного загрязнения.
|
|
|
|
«Там, где другие условия вроде температуры в теории позволяют развиться биологической жизни, нам нужно уделить серьезное внимание тому, чтобы случайно не распространить жизнь с нашей планеты», — говорит Холлсворт.
|
|
|
|
Активность воды — это явление, которое требует четкого понимания и тщательного наблюдения. Тем не менее, по мнению Холлсворта, к нему относятся недостаточно щепетильно.
|
|
|
|
Одна из причин того, что ученые пренебрегают активностью воды, заключается в исторической случайности, которая установила максимальное значение на единицу. Соответственно, значения воды выражаются в долях единицы вроде 0,755 и 0,605, о которых мы говорили выше. Таким образом, глубокие изменения в активности воды, как следствие, кажутся субъективно малыми.
|
|
|
|
Из работы Холлсворта следует, что изменение активности воды на 0,1 эквивалентно изменению температуры на 35 градусов по Цельсию. Очевидно, что при таком перепаде температур человек, например, может погибнуть.
|
|
|
|
«В большинстве природных сред обитания параметры вроде температуры и активности воды постоянно колеблются, — говорит ученый. — Однако большинство микробиологов считает немыслимым и странным измерять изменения в культурах живых существ с точностью до плюс-минус одного градуса по Цельсию».
|
|
|
|
Но вот в случае с активностью воды, для подлинной точности биологи должны записывать ее с точностью до трех знаков после запятой.
|
|
|
|
«У нас есть доказательства, что микробная клетка чувствительна к изменениям в активности воды в третьем знаке после запятой, и есть мнение, что клетки могут быть еще более чувствительны. Если не улучшить уровень точности определения активности воды, этому значению не будет хватать смысла с точки зрения биологии».
|
|
|
|
http://hi-news.ru/science/dlya-vyzhivaniya-zhizni-nuzhno-namnogo-menshe-vody-chem-vy-mogli-by-podumat.html
|
