Для выживания жизни нужно намного меньше воды, чем вы могли бы подумать

«Ищи воду» долгое время было мантрой наших научных поисков внеземной жизни в Солнечной системе и за ее пределами

«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. Для 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 водной среды, которые существуют в нынешней Солнечной системе, и выяснили, что некоторые из этих мест напоминают плодородные микробные жилища на Земле».

Как далеко вы можете зайти?

Современные австралийские строматолиты

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 соленой среде 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

Европа, луна Юпитера

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

«Чистая комната» в NASA

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».