Фото Ларса Берендта
Когда пещерный биолог Хейзел Бартон вошла в полную темноту, у нее была наименьшая надежда встретить там световые организмы. Она понимала, что это новое видение фотосинтеза в темноте означает, что жизнь во Вселенной может бушевать даже там, где мы никогда не представляли раньше.
Стена была ярко-зеленой. Вы никогда не видели такой мерцающей зелени, и все же эти микробы жили в полной темноте, — говорит Бартон, профессор геологических наук в Университете Алабамы.
Под глубокими скалистыми каньонами пустыни Чиуауа на юге Нью-Мексико находится сеть из 119 пещер. Эти пещеры, которые являются частью Национального парка Карлсбадских пещер, возникли от 4 до 11 миллионов лет назад, когда серная кислота растворила известняковые породы.
В полной темноте микробам удалось извлечь энергию из света — ту же энергию, которую излучают красные карлики, самый распространенный тип звезд в нашей галактике.
По словам Бартона, это означает, что мы можем искать внеземную жизнь во многих местах, чем считалось ранее.
В 2018 году Берендт только что защитил свою диссертацию. Он также выиграл научную премию, которая принесла ему немного денег. Он связалсяс Бартоном и предложил сопровождать ее в экспедиции. К счастью, она согласилась.
Сначала в Карлсбадской пещере вы идете по пешеходной тропе, а затем поворачиваете за угол, — говорит Бартон. Я не знаю, сколько раз я проходил этот путь, наверное, сорок раз. В этот момент вы поворачиваетесь, и за вами есть ниша, где царит непроницаемая тьма .
Более 20
Растения зеленые из-за хлорофилла, вещества, которое поглощает световую энергию. Во время фотосинтеза эта энергия превращает углекислый газ и воду в глюкозу и кислород. У цианобактерий этот процесс выглядит почти одинаково. Однако в пещере нет солнечного света.
Так что же там происходило?
Оказалось, что у пещерных цианобактерий есть особый вид хлорофилла, который улавливает ближнее инфракрасное излучение. Этот свет имеет большую длину волны, чем видимый, и расположен близко к инфракрасному излучению в электромагнитном спектре. Человеческий глаз этого не замечает.
В то время как растения и обычные цианобактерии используют хлорофилл a для фотосинтеза, обитатели Карлсбадской пещеры используют хлорофилл d и f. Именно они позволяют получать энергию из ближнего инфракрасного света.
Исследователи также добрались до других пещер в национальном парке «Карлсбадские пещеры» и проверили отдаленные, малоизвестные гроты. В каждом из них они обнаружили фотосинтезирующие микробы глубоко под землей.
«Мы доказали, что они не просто там живут, а осуществляют фотосинтез в полностью изолированной среде, где их никто не трогал в течение, предположительно, 49 миллионов лет», — заключает Берендт.
Автор фото, Getty Images
Бартон и Берендт – не единственные ученые, проявившие способность микробов жить в темноте.
В 1890 году выдающийся украинский микробиолог Сергей Виноградский выяснил, что некоторые микробы могут жить исключительно путем неорганической материи – этот процесс он назвал хемосинтезом. Такие микроорганизмы получают энергию благодаря химическим реакциям, извлекая вещества типа метана или сероводорода из окружающих горных пород и воды.
В 1996 году Хидеаки Мияшита, тогда учившийся по постдокторской программе НАСА, открыл морскую цианобактерию Acaryochloris marina. Она способна к фотосинтезу как в видимом, так и в ближнем инфракрасном свете. Это открытие дало толчок десятилетиям исследований того, какие волны света нужны для фотосинтеза.
В 2018 году ученые из Имперского колледжа Лондона обнаружили фотосинтезирующие цианобактерии в тенистых бактериальных матах Йеллоустонского национального парка и внутри прибрежных скал в Австралии.
Им даже удалось вырастить такие микробы в темном шкафу, оборудованном инфракрасными светодиодами. В каждом случае цианобактерии сначала использовали хлорофилл a для фотосинтеза в видимом свете, но затем переключались на хлорофилл f, чтобы поглощать ближнее инфракрасное излучение, которое глаз не видит.
Эти находки меняют наше представление о том, как выглядеть жизнь на других планетах. Ища подходящую для жизни экзопланету (планету, вращающуюся вокруг звезды в другой системе), важно учитывать тип материнской звезды.
Астрономы разделили звезды на группы по цвету света, излучаемого ими. В результате они выделили семь классов (O, B, A, F, G, K и M) и расположили их в порядке снижения температуры — от самых горячих до самых холодных. Звезды типов O и B — самые горячие, массивные и яркие во Вселенной. Их отличает голубовато-белый цвет.
«Они производят много ультрафиолетового излучения, поэтому они токсичны для жизни», — говорит Бартон.
Звезды типа G, к которым относится и наше Солнце, имеют желтый цвет и излучают много света в видимом спектре. Теоретически такие звезды являются хорошим местом для поиска обитаемых миров, однако они составляют всего 8% от примерно миллиарда триллионов звезд во Вселенной.
Самым распространенным типом звезд в нашей галактике являются красные карлики, или звезды типа M. Именно вокруг них астрономы открыли большинство каменистых экзопланет на сегодняшний день.
Автор фото, Reuters
Поскольку красные карлики имеют малую массу, их планеты обычно вращаются на близких орбитах, что облегчает их поиск. Еще одна причина, почему звезды типа M оказались так плодотворны для ученых в поисках экзопланет — это их огромное количество.
Однако исследователи предполагают, что звезды-красные карлики имеют очень узкую зону пригодности к жизни — участок, самый близкий к звезде, где условия не слишком горячие и не слишком холодные для существования жидкой воды на поверхности планеты.
Поскольку наличие жидкой воды является ключевым для жизни на Земле, астробиологи сосредоточили внимание именно на этом показателе, известном как «зона Золотоволоски», когда ищут внеземную жизнь. До этого они выявили десятки кандидатов.
Однако не все эти планеты способны поддерживать жизнь, а направление таких телескопов, как Джеймс Вебб (JWST), требует времени и значительных ресурсов.
Автор фото, Getty Images
Еще один важный фактор, определяющий возможность существования жизни – это способность к фотосинтезу.
На Земле фотосинтез составляет основу большинства пищевых цепей и дает нам кислород, которым мы дышим. По этой причине логично ограничить поиски только теми планетами, которые способны поддерживать фотосинтез. Это может существенно сузить зону вокруг звезды, где теоретически существует жизнь.
Ранее астробиологи устанавливали предел для фотосинтеза на длине волны 700 нм в световом спектре, что соответствует красному цвету. Именно на этой отметке эффективность фотосинтеза с помощью хлорофилла a падает. Однако цианобактерии, обнаруженные учеными в системах Карлсбадских пещер, могут поглощать свет с длиной волны до 780 нм благодаря хлорофиллу f.
«Подавляющее большинство звезд в нашей галактике составляют именно типы M и K», — говорит Бартон.
«Это означает, что большинство светил в нашей галактике излучают ближний инфракрасный свет, и все же мы почти ничего не знаем о том, как фотосинтез и жизнь могут выживать в условиях освещения, создаваемого такой звездой».
Автор фото, Nasa, ESA и G. Bacon (STScI)
Бартон планирует это изменить. Вместе с Берендтом она подала предложение НАСА, чтобы определить пределы выживания фотосинтезировочной жизни.
Эта работа предусматривает спуск в самые глубокие и темные пещеры, чтобы измерить, сколько света нужно цианобактериям для жизни. Впоследствии эти данные помогут сузить круг поиска обитаемых миров. Например, с помощью телескопа Джеймс Вебб ученые могут измерять количество и тип света, получаемого экзопланетами.
«В своей работе мы пытаемся выяснить, при какой максимальной длине световой волны и минимальном уровне освещения возможен фотосинтез», — говорит Бартон.
«Тогда мы сможем взять 100 миллиардов потенциальных звезд, на которые способен навеститься телескоп» Джеймс Уэбб «, и сократить этот список, скажем, до 50 звезд, [вокруг которых может существовать жизнь]».
Иными словами, это позволит астробиологам расширить перечень типов миров, способных, по их мнению, поддерживать жизнь. Остается только направить телескоп на нужную звезду и искать проходящие перед ней планеты.
Когда свет звезды проходит сквозь атмосферу планеты, она поглощает определенные частоты света в зависимости от имеющихся там элементов. Поэтому астрономы могут выяснить, содержит ли атмосфера экзопланеты определенные элементы, которые намекают на присутствие жизни (например, кислород), ища отсутствующие линии в спектре поглощения.
«Существует очень мало способов, по которым природа может создать кислород в атмосфере без участия жизни», — говорит Бартон.
«Поэтому, если мы найдем кислород в атмосфере одного из таких экзопланет, это станет чрезвычайно весомым свидетельством потенциальной жизни».
