Космическая микробиология

Космическая микробиология

Наша эпоха получила много наименований, связанных с успехами естественных наук. Говорят об «атомном веке», «эре антибиотиков», «эпохе кибернетики». В последнее время начинают говорить и о «космическом веке». Без преувеличения можно сказать, что мы находимся на пороге волнующей страницы человеческой истории. За очень короткий срок мы стали свидетелями запуска сотен искусственных спутников. Первые посланцы Земли взлетели к Луне, Венере и Марсу, подобно планетам Солнечной системы бороздят космос пилотируемые корабли, увеличивается семья космонавтов. Появились проекты полетов к другим планетам нашей Солнечной системы, о межпланетных путешествиях написано много увлекательных романов.

Космический век принес с собой и новые проблемы в области биологических наук. Рассмотрим некоторые вопросы, возникшие в связи с этим в микробиологии. Микроорганизмы — эти мельчайшие представители живого — призваны сыграть важную роль в освоении человеком Вселенной.

Читатели, наверное, еще помнят, что в экспериментальных космических полетах участвовали и живые организмы. Самыми маленькими «пассажирами» были культуры микроорганизмов. Они позволили изучить влияние космических лучей на мелкие живые существа. Полученные сведения были использованы для решения сложных вопросов, связанных с полетом человека в космическом пространстве, в частности вопросов защиты от пагубного влияния космических излучений.

На борту первых космических кораблей были и микроскопические зеленые растения — одноклеточные водоросли. Мы знаем, что зеленые водоросли осуществляют фотосинтез, при котором из воды и углекислоты под влиянием солнечного света образуются основные, энергетически наиболее важные соединения — сахара. Преобразование световой энергии в химическую, связанную в молекулах сахаров, обеспечивает хлорофилл, находящийся в клетках водорослей. Упрощенное представление о получении глюкозы в процессе фотосинтеза дает следующая формула:

6Н₂O + 6CO₂ + Энергия ? С₆Н₁₂O₆ + 6O₂, или

Вода + Углекислый газ + Энергия ? Глюкоза + Кислород.

Образование сахаров при помощи фотосинтеза — основной процесс, за которым следует синтез остальных жизненно важных соединений из неорганических веществ. Зеленые водоросли при помощи своих ферментов получают из сахаров необходимое количество энергии и образуют белки, нуклеиновые кислоты, витамины и новые молекулы ферментов. Фотосинтезирующие зеленые водоросли — типичные автотрофные организмы, способные из минерального «сырья» получать и накапливать в своих клетках все наиболее важные для жизни вещества.

При длительных космических полетах зеленые водоросли могут быть использованы в качестве важной составной части меню космонавтов. «Наземные» опыты с культурой одноклеточных водорослей и с приготовлением из них питательных продуктов дали очень обнадеживающие результаты.

Кроме того, зеленые водоросли принимают участие в восстановлении состава воздуха в кабинах космических кораблей. Известно, что в процессе фотосинтеза освобождается кислород, используемый в другом важном жизненном процессе— дыхании. С химической точки зрения дыхание — это процесс, как бы обратный фотосинтезу: используются сахара и кислород, а освобождаются энергия, углекислый газ и вода:

С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ ? 6СO₂ + 6Н₂O + Энергия, или

Глюкоза + Кислород ? Углекислый газ + Вода + Энергия.

Таким образом, космонавты поставляют водорослям углекислоту для фотосинтеза и получают от них взамен кислород для дыхания. Уже сконструированы различные модели аппаратов для культивирования водорослей в космических кораблях. Подобный обмен жизненно необходимых газов (кислорода и углекислого газа) между растениями и животными происходит на нашей планете со времен ее глубокой древности.

К самым интересным проблемам космических исследований, безусловно, относится вопрос о существовании жизни во Вселенной. До сих пор нам доподлинно известно всего лишь одно небесное тело, на котором есть жизнь. Это наша планета. После того как человек побывал на Луне, стало ясно, что там едва ли когда-нибудь могла существовать жизнь. Мы знаем, что химический состав нашей Солнечной системы всюду, по существу, один и тот же. Исходя из этого, мы можем предполагать, что и внеземные живые организмы (некоторые ученые называют их экзобиотами) должны обладать биохимическими и физиологическими свойствами, сходными со свойствами земных организмов. Поэтому и считают, что жизнь может существовать прежде всего на таких небесных телах (планетах), где есть основные условия жизни: вода в жидком состоянии, благоприятная температура поверхности планеты, атмосфера, качественно схожая с земной, достаточное количество света как источника энергии для фотосинтеза. Такие условия в нашей Солнечной системе имеются отчасти на Марсе, в связи с чем некоторые ученые полагают, что жизнь, хотя бы ее низшие формы, возможна на этой планете.

На Земле мы найдем микробов в каждом комочке почвы, в движимых воздушных массах; они живут в полярных областях и в тропиках, на высокогорных вершинах и в глубинах океанов. Не исключено, что и на других планетах, где возможна жизнь, есть свой особый состав микроорганизмов, представляющих низшие формы жизни. Поэтому при изучении образцов, доставленных с иных планет, следует применять и микробиологические методы.

Но тут неизбежен один коварный вопрос: будут ли микробы, найденные в инопланетных образцах, действительно внеземными существами? Очень важно избежать заноса на иные планеты земных микробов или загрязнения образцов, взятых с этих планет, «нашими» микроорганизмами, которые мы ошибочно можем принять за внеземные.

Кроме того, здесь кроется и другая немалая опасность. Представим себе какую-нибудь планету, на которой существует жизнь. На нее прибывает посланный с Земли космический корабль, и в нем находятся «безбилетные пассажиры» — земные микробы. Попадая в подходящие условия, они начинают размножаться. Из каждой бактериальной клетки через 20–30 мин возникают две новые. С помощью ветра и водных течений самые обыкновенные бактерии могут завладеть планетой, по величине близкой к размерам нашей Земли, всего за какие-нибудь несколько недель. Это, безусловно, приведет к резким изменениям в жизни планеты. Многие микробы могут оказаться болезнетворными, и нельзя исключать возможность, что они выживут на этой «живой» планете различные эпидемии. Существует опасность и обратного порядка. Инопланетные микроорганизмы, попавшие в качестве нежелательных пассажиров — «зайцев» — в корабль, вернувшийся на Землю, могут стать серьезной угрозой для нашей планеты.

О возможности жизни на Венере среди ученых существуют различные точки зрения. На этой планете есть атмосфера, в составе которой удалось обнаружить углекислый газ, азот и другие газы, а недавно обнаружили и воду. Температура на поверхности Венеры гораздо выше, чем на Земле; по некоторым данным, она превышает 300 °C[17]. Такая температура слишком высока для того, чтобы на ней была возможна жизнь.

Недавно в журнале Science появилась интересная статья о возможностях заселения Венеры. Приведем основные мысли, высказанные в этой статье.

Для освоения Венеры высшими земными организмами ее необходимо соответствующим образом подготовить: снизить температуру поверхности планеты и повысить содержание кислорода в атмосфере. Для этого нужно подыскать организмы, способные существовать не непосредственно на ее поверхности, а на высоте нескольких километров, где находится пояс умеренных температур. Здесь процесс фотосинтеза мог бы протекать по основной схеме, причем источником кислорода служила бы вода. Со временем клетки этих организмов опустились бы в нижние слои атмосферы, где под влиянием высоких температур происходило бы разложение органических соединений, таких, как сахара. Схема этого процесса выглядела бы так:

С₆Н₁₂O₆ + Тепловая энергия ? 6С + 6Н₂O, или

Сахара + Тепловая энергия ? Углерод + Вода.

При этом содержание углекислого газа в атмосфере понижалось бы, запасы воды обновлялись, а количество кислорода — повышалось. Нам известны организмы, способные выполнить подобное задание. Это фото-синтезирующие одноклеточные сине-зеленые водоросли. Некоторые из них живут на Земле в горячих источниках при температуре 80 °C. Другие виды наземных сине-зеленых водорослей, азотфиксирующие, могли бы выполнить еще одну задачу на Венере: связывать азот из атмосферы и получать с его помощью белки и все остальные жизненно важные азотсодержащие органические вещества.

В упомянутой статье говорится о планах засылки на Венеру кораблей с подобным экипажем. За счет снижения в атмосфере содержания углекислого газа можно было бы устранить и так называемый парниковый эффект, который является причиной высоких температур на поверхности планеты. Со временем этот процесс можно было бы приостановить во избежание чрезмерного понижения температуры, в результате которого прекратились бы разложение органических соединений на поверхности планеты и вышеописанные реакции.