Ваккуум, радиация и ноль шансов? Не для этих существ!

Введение

Космос — это одно из самых экстремальных мест, куда человечество когда-либо направляло живые организмы. В вакууме космоса нет воздуха и давления, температура колеблется от экстремально высоких до экстремально низких значений, а уровень радиации губителен для большинства форм жизни. Однако существуют микроорганизмы, которые способны выживать в таких суровых условиях, а некоторые даже продолжают проявлять активность. Эти уникальные существа представляют собой ценную модель для науки, помогая понять, как жизнь может адаптироваться и выживать даже в самых неблагоприятных условиях.

Условия космоса и их воздействие на живые организмы

Для понимания, насколько трудно выжить в космосе, стоит выделить ключевые экстремальные факторы, которым подвергаются организмы:

1. Вакуум — отсутствие давления и атмосферы приводит к быстрой потере воды в клетках, что вызывает их высыхание и разрушение.
2. Радиация — в космосе присутствует мощное излучение, состоящее из солнечного и космического излучений. Эти высокоэнергетические частицы могут вызывать серьёзные повреждения ДНК и клеточных структур.
3. Экстремальные температуры — в космосе температура может колебаться от минусовых значений, близких к абсолютному нулю, до нескольких сотен градусов Цельсия.
4. Отсутствие питательных веществ и воды — организмы лишены возможности получать энергию и воду, что ограничивает их метаболизм.
5. Отсутствие кислорода - большинство организмов зависит от кислорода для дыхания, поэтому вакуум космоса создаёт дополнительные сложности для выживания.

Несмотря на эти условия, некоторые микроорганизмы не только выживают, но и показывают высокую устойчивость. К таким организмам относятся тихоходки, некоторые бактерии и археи.

Тихоходки: чемпионы выживания

Электронная микрофотография тихоходки.

Тихоходки (лат. Tardigrada) относятся к микроскопическим беспозвоночным размером от 50 до 1200 мкм. Они являются одними из самых выносливых существ на Земле. Они известны своей способностью выживать в экстремальных условиях, включая открытый космос. В 2007 году группа тихоходок была отправлена в космос на европейском спутнике «Фотон-М3», и некоторые из них не только выжили, но и сохранили способность к размножению после возвращения на Землю.

Механизмы выживания тихоходок:

1. Анабиоз — тихоходки могут переходить в состояние анабиоза, почти полностью останавливая свой метаболизм. В этом состоянии они удаляют воду из клеток, заменяя её на особые сахара, такие как трегалоза, которые стабилизируют клеточные структуры и защищают ДНК. При высыхании они втягивают в тело конечности, уменьшаются в объёме и принимают форму бочонка. Поверхность покрывается восковой оболочкой, препятствующей испарению. Уровень обмена веществ в таком состоянии падает до 0,01 %, а содержание воды способно доходить до 1 % от нормального.
2. Защитные белки и антиоксиданты — тихоходки производят белки, которые защищают их ДНК и клеточные мембраны от повреждений, вызванных радиацией. Антиоксидантные молекулы нейтрализуют активные формы кислорода, защищая клетки от окислительного стресса.

Споры бактерий Bacillus и Clostridium

Некоторые бактерии, такие как представители рода Bacillus и Clostridium, способны образовывать споры – структуры, которые защищают генетический материал и позволяют бактериям выживать в условиях полного отсутствия питательных веществ и воды. Споры устойчивы к ультрафиолетовому излучению и могут переживать долгое время в вакууме и под воздействием радиации. Эти бактерии вызывали интерес учёных, исследующих возможность межпланетного переноса микроорганизмов на метеоритах.

Deinococcus radiodurans: бактерия, не знающая страха перед радиацией

Бактерия Deinococcus radiodurans.

Бактерия Deinococcus radiodurans является одним из самых радиоустойчивых микроорганизмов на Земле. Она способна выживать при дозах радиации, в тысячу раз превышающих смертельные для человека. Благодаря своим уникальным механизмам защиты D. radiodurans может сохранять жизнеспособность в условиях открытого космоса.

Как радиация влияет на клетки на молекулярном уровне?

Схема повреждения ДНК при воздействии ионизирующего излучения (Источник: Постнаука).

Ионизирующая радиация — это тип излучения, который обладает достаточной энергией для ионизации атомов и молекул, с которыми взаимодействует. Когда такое излучение сталкивается с молекулой ДНК, оно может вызывать:

• Однонитевые и двунитевые разрывы: ионизирующая радиация может разрушать связи между атомами в молекуле ДНК, вызывая разрывы в одной или обеих нитях. Если разрыв происходит в одной нити, клетки способны восстановить повреждение, используя вторую цепь как шаблон. Двунитевые разрывы более опасны, так как они могут привести к серьезным мутациям или даже гибели клетки, если механизмы репарации не справляются с повреждением.
• Изменения в структуре оснований: радиация может менять структуру азотистых оснований ДНК (например, аденина, гуанина), приводя к неправильным соединениям. Это может вызывать мутации, так как нарушается точность передачи генетической информации.
• Перекрестные связи: радиация может вызывать образование перекрестных связей (сшивок) между соседними основаниями внутри одной цепи ДНК или даже между разными цепями ДНК. Такие сшивки могут блокировать процессы репликации и транскрипции, что нарушает нормальное функционирование клетки.
• Образование активных форм кислорода (АФК): помимо прямого повреждения, радиация также вызывает образование активных форм кислорода (АФК), которые оказывают дополнительные повреждающие воздействия на клетки. При взаимодействии радиации с молекулами воды в клетке происходят процессы ионизации и возбуждения, что приводит к образованию высокореактивных радикалов, таких как гидроксильный радикал (•OH), супероксидный анион (O₂⁻) и перекись водорода (H₂O₂). Эти радикалы могут взаимодействовать с различными молекулами клетки, включая ДНК, белки и липиды, повреждая их. Так, АФК могут окислять азотистые основания ДНК, например, превращая гуанин в 8-оксогуанин. Эти окислительные повреждения ведут к мутациям при репликации (удвоении ДНК), что может привести к дисфункциям клеток и возникновению рака.
  Высокоактивные радикалы также могут вызывать разрывы ДНК-цепей, что приводит к еще большему повреждению генетического материала и затрудняет его восстановление.

Подробнее о том, как устроена ДНК и что такое мутации, можно прочитать здесь.

Механизмы выживания у Deinococcus radiodurans

1. Восстановление разрывов в обеих цепях ДНК (double-strand break repair) — D. radiodurans обладает высокоэффективными ферментами, которые восстанавливают двуцепочечные разрывы в ДНК, вызванные радиацией. Большинство организмов с трудом восстанавливают такие повреждения, но радиоустойчивые микроорганизмы развили несколько высокоэффективных механизмов восстановления двойных разрывов. Дело в том, что D. radiodurans имеет множество копий генома (до десяти и более), что позволяет использовать одну копию ДНК в качестве шаблона для восстановления другой, повреждённой копии. Также D. radiodurans использует помимо известных белков репарации ДНК, таких как RecA, специализированные белки PprA и DdrA, которые помогают стабилизировать фрагменты ДНК, облегчая процесс восстановления после радиационного воздействия. В частности, белок DdrA позволяет "законсервировать" поврежденную ДНК, препятствуя ее деградации, до момента, когда условия станут более благоприятными для ее восстановления. Это является важным фактором эффективного восстановления генома бактерии.
2. Эффективная система восстановления одноцепочечных разрывов в ДНК - одноцепочечные разрывы и повреждения азотистых оснований ДНК также могут возникать под воздействием радиации. Радиоустойчивые микроорганизмы используют нуклеотидную эксцизионную репарацию (NER). Она работает через ферменты, которые распознают повреждённые основания и вырезают их, создавая зазоры, которые заполняются правильными нуклеотидами. D. radiodurans имеет особенно активную нуклеотидную эксцизионную систему репарации, которая восстанавливает повреждения, вызванные окислительным стрессом и излучением.
3. Антиоксидантные системы для защиты от окислительного стресса — радиоактивное излучение вызывает образование активных форм кислорода (АФК), которые приводят к разрушению клеток и повреждению ДНК. Радиоустойчивые микроорганизмы используют систему мощных антиоксидантов для нейтрализации АФК. В частности, D. radiodurans накапливает ионы марганца (II) в высоких концентрациях, которые образуют комплексы с фосфатами и карбоновыми кислотами. Эти комплексы эффективно нейтрализуют АФК и защищают белки и молекулы ДНК от повреждений. Эта система отличается от обычных антиоксидантов, таких как супероксиддисмутаза, и считается одной из ключевых особенностей радиоустойчивых микроорганизмов.

Археи

«Чёрные курильщики» — это гидротермальные источники на дне океана, которые непрерывно выбрасывают из себя воду температурой 400 градусов по Цельсию и выше. Эта вода насыщена сульфидами металлов и напоминает клубы чёрного дыма, которые стремятся к поверхности.

Некоторые археи, такие как представители рода Methanosarcina, являются микроорганизмами, которые способны выживать в условиях низких температур, высокого давления и почти полного отсутствия кислорода. Они не нуждаются в кислороде для метаболизма, так как получают энергию путём преобразования углерода. Некоторые археи были обнаружены в условиях Антарктиды и глубоководных гидротермальных источников, что свидетельствует о высокой адаптивности этих микроорганизмов к экстремальным условиям, аналогичным условиям космоса. Еще один пример - это Thermococcus gammatolerans - архея, способная переносить высокие уровни радиации, что также делает ее потенциально подходящей для космических исследований.

Механизмы выживания у архей:

1. Прочные клеточные мембраны — археи имеют уникальные липиды в клеточных мембранах, которые придают клетке стабильность и позволяют выживать в условиях высокой температуры и радиации.
2. Репарация ДНК — как и D. radiodurans, некоторые археи обладают эффективными механизмами репарации ДНК, что позволяет им восстанавливать разрывы и мутации, вызванные радиацией.
3. Антиоксидантная защита — археи используют антиоксиданты и другие молекулы, которые помогают нейтрализовать свободные радикалы и защищать клеточные структуры.

Лишайники

Лишайник под микроскопом: зеленые - клетки водоросли, белые нити - гифы гриба.

Лишайники представляют собой симбиотические организмы, состоящие из гриба и фотосинтезирующего компонента (водоросли или цианобактерии). В 2014 году в рамках эксперимента «Биоспутник» лишайники были отправлены в космос и подверглись условиям вакуума и радиации. После возвращения на Землю некоторые виды лишайников показали удивительные способности к восстановлению и выживанию. Это свойство лишайников связано с их эффективной защитой от радиации и замедленным метаболизмом, что помогает им выживать в условиях экстремального стресса.

Псевдомонады: универсальные бактерии

Pseudomonas putida — ещё один микроорганизм, способный выживать в условиях высокой радиации. Эта бактерия активно используется в биоремедиации, так как она способна поглощать тяжёлые металлы и радионуклиды, что делает её полезной для очистки радиационно загрязнённых территорий.

Механизмы выживания у Pseudomonas putida:

1. Биосорбция радионуклидов — P. putida может связывать радионуклиды на своей клеточной стенке, предотвращая их токсичное воздействие на клетку.
2. Система репарации ДНК — как и многие радиоустойчивые микроорганизмы, P. putida имеет механизмы восстановления ДНК, которые позволяют ей восстанавливать разрывы и повреждения, вызванные радиацией.

Применение радиоустойчивых микроорганизмов для космических исследований и биотехнологий

Пояс астероидов (фото: NASA/JPL-Caltech).

Исследование микроорганизмов, способных выживать в условиях открытого космоса, имеет значительное значение для различных областей науки и технологий:

1. Космическая биология и поиск внеземной жизни — устойчивость этих микроорганизмов к радиации и экстремальным условиям делает их потенциальными моделями для изучения возможных форм жизни на других планетах. Например, Марс с его высокой радиацией и экстремальными температурами может быть менее враждебен для жизни, если учитывать свойства радиоустойчивых микроорганизмов.
2. Создание радиопротекторов для космонавтов — исследование защитных механизмов, таких как мангановые комплексы у Deinococcus radiodurans, может помочь в создании радиопротекторов, которые защитят космонавтов от космической радиации.
3. Биоремедиация на Земле и за её пределами — микроорганизмы, такие как Pseudomonas putida, могут применяться для очистки радиационно загрязнённых территорий, как на Земле, так и в будущем на других планетах. Биосорбция радионуклидов и переработка токсичных металлов делает их эффективными биологическими очистителями.
4. Генная инженерия и биотехнологии — понимание механизмов устойчивости к радиации у таких микроорганизмов позволяет использовать их гены для создания новых устойчивых организмов и биоматериалов, которые можно применять в медицине, сельском хозяйстве и промышленности.

Заключение

Микроорганизмы, способные выживать в условиях космоса, открывают перед нами новые горизонты в изучении устойчивости жизни. Тихоходки, Deinococcus radiodurans, археи и Pseudomonas putida демонстрируют уникальные адаптации, такие как репарация ДНК, антиоксидантная защита и способность к анабиозу. Эти организмы не только расширяют наше представление о границах выживаемости, но и предлагают решения для защиты от радиации, биоремедиации и поиска жизни на других планетах.

Нравится канал? Не забывайте подписываться, ставить лайки и рекомендовать друзьям 😊👍