Земные бактерии и грибы, попавшие на Луну вместе с астронавтами, могут сохраняться в затененных районах ее полюсов в течение нескольких дней, а отдельные виды — не менее недели. Это создает риск загрязнения образцов, которые планируется собирать в ходе будущих пилотируемых экспедиций. О том, какие микроорганизмы способны пережить лунные условия, как они могут попасть на спутник Земли и почему ученым придется пересмотреть правила проведения исследований, — в материале «Известий».
Микробы могут пережить высадку на Луну
Бактерии и грибы, связанные с человеком, способны сохранять жизнеспособность на отдельных участках Луны значительно дольше, чем предполагалось. К такому выводу пришли специалисты NASA и Университета Мэриленда.
Авторы исследования изучили условия, при которых пять распространенных земных микроорганизмов могут оставаться живыми в полярных районах спутника. Ученые ожидали, что потенциально пригодные для этого зоны будут сосредоточены главным образом внутри постоянно затененных кратеров. Однако моделирование показало, что такие участки встречаются практически на всей территории полюсов, в том числе далеко за пределами областей, куда никогда не попадают прямые солнечные лучи.
Это не означает, что на Луне обнаружили жизнь или что занесенные с Земли микроорганизмы смогут там размножаться. Речь идет только об их расчетной способности в течение некоторого времени оставаться жизнеспособными в неактивном состоянии.
Тем не менее даже этого может оказаться достаточно, чтобы повлиять на результаты научных исследований. Бактерии, грибные споры и фрагменты клеток способны попасть в образцы грунта, которые астронавты впоследствии доставят на Землю. В таком случае ученым будет сложнее определить, какие вещества изначально присутствовали на Луне, а какие были занесены человеком.
Как земные бактерии могут попасть на спутник
Человек постоянно переносит на коже, волосах, одежде и оборудовании большое количество микроорганизмов. По оценке NASA, на участке кожи размером примерно с ластик на карандаше может находиться около 1 млн бактерий. Полностью исключить их попадание внутрь космического корабля или жилого модуля невозможно даже при строгом соблюдении санитарных требований.
Источниками загрязнения лунной поверхности могут стать системы жизнеобеспечения, шлюзы, научное оборудование, посадочные аппараты и скафандры. Последние не являются полностью изолированными системами: во время работы они сбрасывают часть газов во внешнюю среду. Вместе с выходящим воздухом на поверхность способны попадать микроскопические частицы кожи и связанные с человеком организмы.
Кроме того, микробы, оставленные внутри космического корабля, могут оказаться снаружи во время открытия шлюза или перемещения оборудования. Методы очистки позволяют значительно сократить количество микроорганизмов, однако не обеспечивают абсолютной стерильности.
«Люди — прирожденные исследователи, и вместе с ними в космос отправляются их голоса, воспоминания и микробы», — отметил руководитель исследования, планетолог Центра космических полетов имени Годдарда NASA Прабал Саксена.
Для автоматических аппаратов NASA применяет достаточно жесткие методы обеззараживания. Некоторые компоненты могут нагревать до температуры выше 200 градусов Цельсия, чтобы уничтожить большую часть живых организмов. Использовать подобную обработку для скафандров, жилых отсеков и необходимого людям оборудования нельзя. Поэтому пилотируемые миссии неизбежно несут более высокий риск биологического загрязнения.
Почему особую опасность представляют полюса
Справка «Известий»
В 1969–1972 годах участники программы Apollo высаживались в районах, расположенных сравнительно близко к лунному экватору. Там Солнце поднимается достаточно высоко над горизонтом, а поверхность получает интенсивную дозу ультрафиолетового излучения. Оно быстро повреждает клетки и генетический материал микроорганизмов.
Предыдущие исследования показывали, что земные бактерии, которые могли остаться возле мест посадки Apollo, вряд ли были способны сохраняться продолжительное время. Однако условия около полюсов заметно отличаются от экваториальных.
Будущие пилотируемые экспедиции планируется направлять в район южного полюса Луны. Он представляет особый интерес из-за запасов водяного льда, которые могут находиться на дне постоянно затененных кратеров. В перспективе этот ресурс можно использовать для получения воды и кислорода, а также производства компонентов ракетного топлива.
Географические особенности, позволяющие сохраняться льду, одновременно создают более благоприятные условия для земных микроорганизмов. Ось Луны наклонена лишь незначительно, поэтому в полярных областях Солнце остается низко над горизонтом. Даже небольшие возвышенности, камни, края кратеров и другие неровности образуют длинные тени.
Такие участки защищены от прямого ультрафиолетового излучения, которое оказалось главным ограничивающим фактором для изученных бактерий и грибов. Низкие температуры и вакуум сами по себе не обязательно приводят к их немедленной гибели. Замораживание используется для сохранения биологических образцов и на Земле, а некоторые организмы способны проводить в вакууме продолжительное время, оставаясь в неактивном состоянии.
Как ученые искали подходящие для жизни участки
В рамках исследования микроорганизмы не отправляли на Луну. Ученые создали компьютерную модель, объединив результаты ранее проведенных биологических экспериментов с подробными картами температуры, рельефа и освещенности спутника.
Для анализа были выбраны бактерии Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus и Deinococcus radiodurans, гриб Aspergillus niger, известный как черная плесень, а также несколько видов рода Fusarium. Эти микроорганизмы встречаются рядом с людьми, а некоторые из них ранее обнаруживали внутри Международной космической станции. Они также известны повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям.
Сначала специалисты изучили результаты экспериментов, показывающих, какие дозы ультрафиолетового излучения и уровни температуры способен выдерживать каждый организм. На основании этих сведений для всех видов рассчитали порог выживаемости.
Затем биологические данные сопоставили с характеристиками лунной поверхности. Сначала ученые составили карты обоих полюсов с разрешением около 60 м на пиксель. После этого они подробно изучили три возможных района будущих посадок астронавтов — край кратера Нобиле, Соединительный хребет и край кратера Де Герлах. На втором этапе разрешение модели повысили до 5 м на пиксель.
Для расчета освещенности применялся метод трассировки лучей. Он позволил учесть движение солнечного света, отражение излучения от окружающей поверхности и влияние отдельных возвышенностей, склонов и кратеров.
Более ранние модели ориентировались преимущественно на широту и фактически представляли поверхность Луны плоской. Из-за этого небольшие, но потенциально важные участки тени могли оставаться незамеченными.
«Ключевым для этого исследования стал учет неровностей и кратеров. Вопросы заключались в том, насколько хорошо рельеф Луны защищает отдельные районы от ультрафиолета и достаточно ли этой защиты, чтобы сохранить жизнь хотя бы одному из изученных организмов», — рассказал соавтор работы, сотрудник Университета Мэриленда Стефано Бертоне.
Черная плесень оказалась самой устойчивой
Хуже всего смоделированные лунные условия переносили бактерии Staphylococcus и Bacillus. Подходящие для них зоны ограничивались небольшими затененными участками, преимущественно расположенными возле краев кратеров. Несколько большую устойчивость продемонстрировали Deinococcus и Fusarium.
Самым выносливым организмом оказался гриб Aspergillus niger. Он широко распространен на Земле и встречается в почве, влажных помещениях, системах вентиляции и на различных поверхностях. Образцы этого гриба находили и внутри МКС, а предыдущие эксперименты показали, что отдельные представители рода способны выдерживать воздействие открытого космоса.
Устойчивость Aspergillus niger к накопленному ультрафиолетовому излучению может в десятки раз превышать показатели исследованных бактерий. По сравнению с грибами рода Fusarium допустимая доза излучения у него оказалась примерно в девять раз выше.
Модель показала, что летом Aspergillus мог бы сохраняться примерно на 2–9% освещенной территории исследованных полярных районов, а зимой — на 15–30%. В отдельных зонах гриб теоретически способен оставаться жизнеспособным не менее семи дней.
Подходящие для него участки обнаружились во всех трех подробно изученных районах возможной посадки. Более того, некоторые из них находились не только внутри постоянно затененных кратеров, но и на территориях, периодически получающих солнечный свет.
«Когда мы создали лунные карты, на которых фиолетовым, красным и синим цветами были обозначены районы выживания разных видов, нас удивило, насколько красочными они получились. После этого говорить, что на Луне ничто не способно выжить, уже сложно», — отметил Бертоне.
Почему речь не идет о колонизации Луны
Способность организма сохранять жизнеспособность не означает, что он сможет расти и размножаться. Бактерии и грибные споры могут пережидать неблагоприятные условия в обезвоженном или покоящемся состоянии, но для формирования колонии им необходима подходящая среда.
На поверхности Луны нет подтвержденного сочетания условий, необходимых для полноценного развития земной жизни. В частности, там отсутствует стабильная жидкая вода, а вакуум, радиация и резкие перепады температуры препятствуют нормальному протеканию биологических процессов.
Поэтому исследование не доказывает возможность появления на Луне распространяющейся плесени или самостоятельно развивающихся бактериальных колоний. Оно показывает лишь, что некоторые клетки могут не погибать сразу после попадания в затененный район.
Чем загрязнение угрожает лунным экспедициям
Земные микроорганизмы способны исказить результаты поиска органических веществ, изучения истории воды и анализа химического состава лунного грунта. Особенно чувствительными окажутся образцы с крайне низким содержанием биологического материала. Даже небольшое количество занесенных клеток или их фрагментов может повлиять на результаты лабораторных исследований.
Наибольшую ценность представляют материалы из постоянно затененных районов, которые могли сохраняться в практически неизменном состоянии миллионы или миллиарды лет. Они потенциально содержат сведения о ранней истории Солнечной системы, происхождении воды и органических соединениях, доставленных на Луну астероидами и кометами.
После начала регулярных пилотируемых экспедиций отделить первоначальный состав таких районов от последствий человеческого присутствия станет сложнее. Поэтому ученые считают необходимым собрать исходные сведения о среде до строительства постоянных жилых модулей и другой инфраструктуры.
Проблема может возникнуть даже в ходе одной экспедиции. Если астронавт пройдет через определенный район, а спустя несколько часов вернется туда за образцом, в грунте могут находиться микроорганизмы, оставленные скафандром при первом посещении.
В таких случаях специалистам придется учитывать маршруты участников экспедиции, время сбора материала и расположение возможных источников загрязнения. Карты выживаемости микробов могут использоваться при выборе зон для первоочередного забора грунта и определении последовательности работ.
«Нам необходимо понимать, что находилось там до нашего прибытия. Когда мы отправимся на Марс искать признаки жизни за пределами Земли, мы захотим убедиться, что не привезли обнаруженные организмы с собой», — заявил специалист NASA по контролю загрязнения лунных образцов Эндрю Нидэм.
Луна станет естественной лабораторией
Авторы исследования рассматривают присутствие земных микроорганизмов не только как угрозу. Полярные районы Луны могут стать естественной лабораторией, позволяющей проверить реальные пределы устойчивости бактерий и грибов.
Полностью воспроизвести сочетание вакуума, низких температур, радиации и необычного режима освещения в земной лаборатории сложно. Контролируемое размещение микроорганизмов на лунной поверхности поможет установить, сколько времени они сохраняют жизнеспособность и какие механизмы защиты используют.
В дальнейшем исследователи планируют повысить точность моделей, получить более подробные сведения о рельефе и расширить перечень изучаемых организмов. Им также предстоит определить, как на сохранение микробов влияют лунная пыль, космическое излучение и возможное нахождение внутри частиц грунта.
Полученные данные могут пригодиться и при подготовке экспедиций на Марс. Однако напрямую переносить результаты на Красную планету нельзя. У Марса есть атмосфера, он находится дальше от Солнца, а интенсивность излучения, давление и температурный режим там заметно отличаются от лунных.
При этом сам принцип составления карт потенциальной выживаемости можно адаптировать для марсианских условий. Главная задача таких исследований заключается в том, чтобы научиться отличать возможные следы внеземной жизни от организмов, доставленных космическими аппаратами и людьми.