Пещера в Нью-Мексико расширяет наши возможности в поисках внеземной жизни
Когда пещерный биолог Хейзел Бартон погрузилась в кромешную тьму, меньше всего она ожидала обнаружить организмы, использующие энергию света. Она поняла, что это новое представление о фотосинтезе в темноте означает, что жизнь в других уголках Вселенной может существовать там, где мы никогда не думали, что она возможна.
«Стена была ярко-зелёной. Это был самый переливающийся зелёный цвет, который вы когда-либо видели, и при этом микробы жили в полной темноте», — говорит Бартон, профессор геологических наук в Университете Алабамы.
Под глубокими скалистыми каньонами пустыни Чиуауан на юге штата Нью-Мексико раскинулась сеть из 119 пещер. Пещеры, являющиеся частью национального парка Карлсбадские пещеры, образовались от четырех до 11 миллионов лет назад из-за того, что серная кислота растворила известняковые породы.
Главной достопримечательностью парка является Карлсбадская пещера. Здесь сверкающие сталактиты свисают с потолка Большого зала — огромного подземного помещения длиной почти 1220 м и шириной 191 м.
«До Карлсбадской пещеры очень легко добраться. Это очень большая известняковая пещера, которую могут посетить туристы. В ней есть ступени и лестницы, и спуститься может каждый», — говорит Ларс Берендт, биолог-микробиолог из Уппсальского университета. Он добавляет, что в некоторых частях пещерной системы можно передвигаться даже на инвалидной коляске.
Почти 350 000 человек ежегодно посещают Карлсбадскую пещеру, но большинство из них даже не подозревают, что в этой пещере было сделано одно из самых поразительных научных открытий за последнее десятилетие. В кромешной тьме микробы смогли использовать свет для получения энергии — тот же свет, который излучают красные карлики, самый распространённый тип звёзд в нашей галактике. По словам Бартона, это означает, что мы можем искать внеземную жизнь в большем количестве мест, чем считалось ранее.
В 2018 году Берендт только что защитил докторскую диссертацию. Он также получил академическую премию, которая принесла ему немного денег. Он связался с Бартон и спросил, не согласится ли она отправиться с ним в экспедицию. К счастью, она согласилась.
«Первое, что вы делаете в Карлсбадской пещере, — это спускаетесь по туристической тропе, а затем поворачиваете за угол, — рассказывает Бартон. — Не знаю, сколько раз я проходил по этой тропе, наверное, раз 40. В этот момент вы поворачиваете за угол, а позади вас оказывается ниша, и там совершенно темно».
Более 20 лет Бартон изучала микроорганизмы, обнаруженные глубоко под землёй. Однако то, что произошло дальше, стало неожиданностью даже для неё.
Берендт посветил фонариком на стену. Несмотря на то, что в нише было кромешно темно, свет выхватил из темноты слой зелёных микробов, покрывавших стену. Позже проведённые тесты показали, что это были цианобактерии; одноклеточные организмы, родственные бактериям. Однако, в отличие от большинства бактерий, цианобактерии (также известные как сине-зелёные водоросли) используют солнечный свет для производства пищи.
«Мы спускались в пещеру всё глубже и глубже, — рассказывает Бартон. — В конце концов мы оказались в таком месте, где без фонариков было ничего не видно. Нам приходилось светить себе под ноги, чтобы разглядеть руку перед лицом, но при этом на стене всё равно был виден зелёный пигмент».
Растения зелёные благодаря химическому веществу под названием хлорофилл, которое поглощает световую энергию. В процессе фотосинтеза эта энергия используется для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и кислород. У цианобактерий происходит примерно то же самое. Однако здесь, в пещере, не было солнечного света.
Так что же происходило?
Оказывается, у цианобактерий в пещере есть особая разновидность хлорофилла, которая может улавливать ближний инфракрасный свет. Этот свет имеет большую длину волны, чем видимый свет, и находится в электромагнитном спектре непосредственно перед инфракрасным. Он не виден человеческому глазу.
В то время как растения и цианобактерии используют хлорофилл a для фотосинтеза, цианобактерии в Карлсбадских пещерах используют хлорофилл d и f, которые способны генерировать энергию из ближнего инфракрасного света.
Хотя видимый свет может проникать в пещеры лишь на несколько сотен футов, ближний инфракрасный свет может распространяться гораздо дальше благодаря отражающим свойствам известняковых пород. «Известняковая порода, из которой состоит пещера, поглощает почти весь видимый свет, но для ближнего инфракрасного света пещеры — это настоящий зеркальный зал», — говорит Бартон.
На самом деле, когда исследователи измерили уровень освещённости в дальней части пещеры, где было темнее всего, они обнаружили, что концентрация ближнего инфракрасного излучения там в 695 раз выше, чем у входа. В то же время, хотя хлорофилл d и f, содержащие цианобактерии, присутствовали во всех частях пещеры, особенно много их было в самых тёмных и глубоких местах.
Исследователи также посетили другие пещеры в Национальном парке «Карлсбадские пещеры» и изучили другие труднодоступные пещеры и гроты. В каждом случае они обнаруживали фотосинтезирующие микроорганизмы глубоко под землёй.
«Мы показали, что они не только живут там, внизу, но и осуществляют фотосинтез в полностью изолированной среде, где они, вероятно, оставались нетронутыми на протяжении 49 миллионов лет», — говорит Берендт.
Бартон и Берендт — не единственные учёные, обнаружившие микробы, способные жить в темноте.
В 1890 году выдающийся российско-украинский микробиолог Сергей Николаевич Виноградский обнаружил, что некоторые микроорганизмы могут жить исключительно за счёт неорганических веществ — с помощью процесса, называемого хемосинтезом. Эти микроорганизмы получают энергию за счёт химических реакций, извлекая такие вещества, как метан или сероводород, из окружающих их горных пород и воды.
В 1996 году Хидеаки Миясита, который в то время был аспирантом в программе постдокторантуры НАСА, открыл морскую цианобактерию под названием Acaryochloris marina, которая может фотосинтезировать как с использованием видимого, так и ближнего инфракрасного света. Это открытие положило начало многолетним исследованиям длин волн света, необходимых для фотосинтеза.
Затем, в 2018 году, учёные из Имперского колледжа Лондона обнаружили фотосинтезирующие цианобактерии, живущие в тенистых местах в бактериальных матах в Йеллоустонском национальном парке и внутри некоторых прибрежных скал в Австралии. Им даже удалось вырастить фотосинтезирующие микроорганизмы в тёмном шкафу, оборудованном инфракрасными светодиодами. В каждом случае цианобактерии использовали хлорофилл a для фотосинтеза с использованием видимого света, но затем переключались на использование хлорофилла f для фотосинтеза с использованием ближнего инфракрасного света, недоступного человеческому зрению.
Полученные результаты проливают свет на то, как может выглядеть жизнь на других планетах. При поиске пригодной для жизни экзопланеты — планеты, вращающейся вокруг звезды в другой солнечной системе, — важно учитывать тип звезды, вокруг которой она вращается. Астрономы попытались сгруппировать звёзды по цвету излучаемого ими света, в результате чего получилось семь классов звёзд (O, B, A, F, G, K и M), которые расположены в порядке убывания температуры, от самых горячих до самых холодных. Звёзды O- и B-типа — самые горячие, массивные и яркие звёзды во Вселенной. Они отличаются бело-голубым цветом.
«Они производят много ультрафиолетового излучения, поэтому токсичны для живых организмов», — говорит Бартон.
Звёзды G-типа, к которым относится наше Солнце, имеют жёлтый цвет и излучают много света в видимом спектре. Теоретически эти звёзды могли бы стать хорошими кандидатами для поиска обитаемых миров, но звёзды G-типа составляют всего 8% от предполагаемого миллиарда триллионов звёзд во Вселенной.
Однако наиболее распространённым типом звёзд в нашей галактике являются красные карлики, или звёзды М-типа. Большинство обнаруженных на сегодняшний день каменистых экзопланет вращаются вокруг звёзд этого типа.
Поскольку красные карлики — это маломассивные звёзды, их планеты, как правило, вращаются вокруг них на близком расстоянии, что облегчает их обнаружение. Ещё одна причина, по которой звёзды класса M оказались столь плодотворными для учёных в поисках экзопланет, заключается в том, что их очень много. Однако в настоящее время считается, что у красных карликов очень узкая обитаемая зона — область, расположенная ближе всего к звезде, где условия не слишком жаркие и не слишком холодные для существования жидкой воды на поверхности планеты. (Подробнее о грандиозной охоте за планетой, похожей на Землю.)
Поскольку наличие жидкой воды необходимо для жизни на Земле, астробиологи сосредоточились на этом параметре, известном как «зона Златовласки» звезды, при поиске внеземной жизни. На данный момент они нашли десятки кандидатов. Однако не на всех этих планетах может существовать жизнь, а настройка таких телескопов, как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), требует времени и значительных ресурсов.
Другим важным фактором, определяющим возможность существования жизни, является наличие фотосинтеза. На Земле фотосинтез лежит в основе большинства пищевых цепочек и обеспечивает нас кислородом, которым мы дышим. По этой причине имеет смысл ограничить поиск планетами, на которых возможен фотосинтез. Это может значительно сузить зону вокруг звезды, где может существовать жизнь.
В прошлом астробиологи устанавливали предел для фотосинтеза на длине волны 700 нм в световом спектре, что соответствует длине волны красного цвета. Это точка, в которой эффективность фотосинтеза с использованием хлорофилла снижается. Однако цианобактерии, обнаруженные в карлсбадских пещерных системах, могут поглощать свет с длиной волны до 780 нм с помощью хлорофилла f.
«Подавляющее большинство звёзд в нашей галактике — это звёзды М- и К-типа, — говорит Бартон. — Это значит, что большинство звёзд в нашей галактике излучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне, но мы почти ничего не знаем о том, как фотосинтез и жизнь могут существовать в условиях такого освещения».
Бартон планирует это изменить. Вместе с Берендт она подала в НАСА заявку на поиск границ, в которых может существовать фотосинтезирующая жизнь. В рамках этой работы планируется спуститься глубоко в самые тёмные пещеры, чтобы точно измерить, сколько света необходимо цианобактериям для выживания. Эту информацию можно будет использовать для сужения круга поиска обитаемых миров. Например, с помощью JWST учёные смогут измерить количество и тип света, который получают экзопланеты.
«Наша работа направлена на то, чтобы выяснить, какая длина волны света и какой минимальный уровень освещённости необходимы для фотосинтеза, — говорит Бартон. — Тогда можно взять 100 миллиардов потенциальных звёзд, на которые мы можем направить космический телескоп «Джеймс Уэбб», и сократить их количество, скажем, до 50 звёзд, на которых может быть жизнь».
Другими словами, это может привести к тому, что астробиологи расширят список типов миров, в которых, по их мнению, может существовать жизнь. Всё, что останется сделать, — это направить JWST на нужную звезду, а затем искать планеты, проходящие перед ней. Когда свет звезды проходит через атмосферу планеты, определённые частоты света поглощаются в зависимости от присутствующих элементов. Таким образом, астрономы могут определить, присутствуют ли в атмосфере экзопланеты определённые элементы, которые могут указывать на наличие жизни, например кислород, по отсутствию линий в спектрах поглощения.
«Существует очень, очень мало способов получения кислорода в атмосфере без участия живых организмов, — говорит Бартон. — Так что, если вы обнаружите кислород в атмосфере одной из этих экзопланет, это будет очень, очень убедительным доказательством наличия потенциальной жизни».