Автор фото, Lars Behrendt
Когда биолог Гейзел Бартон ступила в глубокую тьму пещеры, она и представить не могла, что попадет на живые организмы, использующие свет как источник энергии. Это открытие переворачивает наше представление о фотосинтезе и о том, где во Вселенной может существовать жизнь.
«Стена светилась невероятно ярким зеленым. Такого насыщенного цвета я еще не видела. И при этом микробы жили в полной темноте», — вспоминает Бартон, профессор геологии в университете Алабамы.
Под глубокими скалистыми каньонами пустыни Чиуауа на юге Нью-Мексико протянулась сеть из 119 пещер. Они входят в национальный парк «Карлсбадские пещеры». Известняковые образования появились здесь от 4 до 11 миллионов лет назад, когда серная кислота постепенно растворяла породу.
Главная жемчужина парка – пещера Карлсбад. В Большом зале с потолка свисают блестящие сталактиты. Зал простирается почти на 1,2 км и шириной 191 метра.
«Попасть сюда легко. Это большая известняковая пещера с обустроенной лестницей и трапами, так что спуститься может любой», — объясняет Ларс Берендт, микробиолог из университета Упсалы. Некоторые участки даже доступны людям на инвалидных колясках.
Ежегодно Карлсбад посещают около 350 000 туристов. Большинство даже не догадываются, что эта пещера стала местом одного из самых загадочных научных открытий последнего десятилетия.
В полной темноте микробы используют свет как источник энергии — тот самый спектр, что излучают красные карлики, самые распространенные звезды нашей галактики.
Бартон уверена: это открытие изменяет подход к поиску внеземной жизни. Мест, где оно может существовать, оказывается гораздо больше, чем мы раньше думали.
В 2018 году Ларс Берендт только что закончил докторантуру. Он также получил академическую премию, принесшую ему определенную сумму денег. В это время он обратился к Гейзел Бартон с предложением: не хочет ли она присоединиться к экспедиции. Она согласилась.
Первое, что вы делаете в пещере Карлсбад, — спускаетесь по туристической тропе, а потом поворачиваете за угол, — рассказывает Бартон. — Я прошла по этой тропинке, пожалуй, раз сорок.
Бартон уже более двадцати лет изучает микроскопическую жизнь, скрытую глубоко под землей. Но то, что произошло дальше, стало неожиданностью даже для нее.
Берендт осветил стену фонариком. Ниша была темной, но под светом на стене появился пласт зеленых микробов. Последующие тесты показали, что это цианобактерии – одноклеточные организмы, родственные бактериям.
Однако, в отличие от большинства бактерий, эти микроорганизмы (их еще называют сине-зелеными водорослями) питаются солнечным светом.
Автор фото, Lars Behrendt
Мы спускались все глубже и глубже в пещеру, — рассказывает Бартон. — Наконец-то мы оказались в таком месте, где без фонарей ничего не видно. Все еще просматривал зеленый пигмент.
Зеленый цвет большинства растений объясняется хлорофиллом – веществом, поглощающим энергию света. При фотосинтезе эта энергия превращает углекислый газ и воду в глюкозу и кислород. У цианобактерий этот процесс почти такой же. Но здесь, в пещере, солнечного света не было.
Что же происходило?
Оказалось, что цианобактерии пещеры имеют особый тип хлорофилла, способный поглощать свет на грани инфракрасного спектра. Длина его волн больше, чем у видимого света, и он расположен в спектре непосредственно перед инфракрасным. Человеческий глаз его не видит.
В то время как растения и обычные цианобактерии используют хлорофилл A для фотосинтеза, жители пещер Карлсбад способны работать с хлорофиллом D и F, что позволяет получать энергию от ближнего инфракрасного света.
Хотя видимый свет может проникать в пещеры всего на несколько десятков метров, ближний инфракрасный проходит значительно дальше благодаря отражательным свойствам известняка.
«Известняк, из которого состоит пещера, поглощает почти весь видимый свет. А для ближнего инфракрасного пещера работает как огромное зеркало», — объясняет Бартон.
Когда исследователи измерили освещенность в самой темной части пещеры, они обнаружили, что уровень ближнего инфракрасного света был в 695 раз выше, чем у входа. При этом цианобактерии с хлорофиллом D и F присутствовали во всех частях пещеры, но больше их было именно в глубоких, темных зонах.
Исследователи также посетили другие пещеры на территории национального парка «Карлсбадские пещеры» и изучали менее известные залы и пустоты. И каждый раз они находили микросинтезирующие микробы глубоко под землей.
«Мы показали, что они не просто живут здесь, а осуществляют фотосинтез в полностью защищенной среде, где, вероятно, не подвергались влиянию внешних факторов более 49 миллионов лет», — заключает Берендт.
Автор фото, Getty Images
Бартон и Берендт – не единственные ученые, находившие микробы, способные жить в темноте.
Еще в 1890 году украинский микробиолог Сергей Виноградский обнаружил, что некоторые микробы могут существовать исключительно на неорганических веществах, используя процесс, называемый хемосинтезом. Эти микробы получают энергию из-за химических реакций, поглощая вещества, такие как метан или сероводород, из окружающих пород и воды.
В 1996 году Хидеаки Миясита, тогда аспирант программы NASA, открыл морскую цианобактерию Acaryochloris marina, способную осуществлять фотосинтез как при видимом, так и при ближнем инфракрасном свете. Это открытие положило начало десятилетиям исследований длине волн, необходимых для фотосинтеза.
В 2018 году ученые из Имперского колледжа Лондона обнаружили фотосинтезирующие цианобактерии, живущие в затененных условиях в бактериальных матах на территории Йеллоустонского национального парка и внутри прибрежных скал Австралии. Им даже удалось вырастить фотосинтезирующие микробы в темном шкафу с инфракрасными светодиодами.
В каждом случае цианобактерии использовали хлорофилл A для фотосинтеза на видимом свете, а затем переходили на хлорофилл F для работы с ближним инфракрасным светом, недоступным для человеческого глаза.
Эти открытия кардинально изменяют наше представление о том, как может выглядеть жизнь на других планетах. При поиске подходящей для жизни экзопланеты – планеты, вращающейся вокруг звезды в другой солнечной системе – важно учитывать тип звезды, вокруг которой она вращается.
Астрономы попытались классифицировать звезды по цвету их излучения. В результате выделили семь классов: O, B, A, F, G, K и M, расположенных в порядке убывания температуры – от самых горячих до самых холодных. Звезды класса O и B – самые горячие, массивные и яркие, преимущественно сине-белые.
«Они излучают много ультрафиолета, так что для жизни такие звезды токсичны», — объясняет Бартон.
Звезды класса G, к которым относится и наше Солнце, имеют желтый цвет и излучают много света в видимом спектре. Теоретически они подходят для поиска подходящих для жизни миров, но звезды G составляют лишь около 8% от примерно 10 ² звезд во Вселенной.
Самыми распространенными звездами в нашей галактике являются красные карлики, или звезды класса M. Большинство каменистых экзопланет, открытых на сегодняшний день, вращаются именно вокруг таких звезд.
Автор фото, Reuters
Поскольку красные карлики – звезды малой массы, их планеты обычно вращаются очень близко, что облегчает их обнаружение.
Впрочем, считается, что у красных карликов очень узкая зона, пригодная для жизни, где не слишком жарко и не слишком холодно, чтобы на поверхности планеты могла существовать жидкая вода.
Поскольку жидкая вода необходима для жизни, астробиологи уделяют особое внимание этому участку, известному как «зона Золотоволоски». На сегодняшний день они выявили десятки потенциальных кандидатов.
Но не все эти планеты действительно способны поддерживать жизнь. К тому же, направление на них телескопов, таких как космический телескоп «Джеймс Вебб» (JWST), требует времени и значительных ресурсов.
Автор фото, Getty Images
Еще одним важным фактором, определяющим возможность существования жизни, является способность к фотосинтезу.
На Земле фотосинтез лежит в основе большинства пищевых цепей и обеспечивает кислород, которым мы дышим. Поэтому кажется логичным искать внеземную жизнь на планетах, где фотосинтез вообще возможен. Это значительно сужает область вокруг звезды, где может существовать жизнь.
Ранее астробиологи считали, что фотосинтез возможен только при свете с длиной волны до 700 нм, что соответствует красному цвету. Далее эффективность фотосинтеза на основе хлорофилла A начинает снижаться. Однако цианобактерии, обнаруженные в пещерах Карлсбада, способны использовать свет с длиной волны до 780 нм благодаря хлорофиллу F.
Подавляющее большинство звезд в нашей галактике – это звезды класса M и K, – объясняет Бартон. – Это означает, что большинство звезд излучает ближний инфракрасный свет. И все же мы почти ничего не знаем о том, как фотосинтез и жизнь могут выживать при таком освещении.
Автор фото, Nasa, ESA и G. Bacon (STScI)
Бартон планирует изменить эту ситуацию. Вместе с Берендтом она подала в NASA предложение о поиске граничных условий для фотосинтетической жизни.
Эта работа предусматривает спуски в самые темные пещеры, чтобы точно измерить, сколько света нужно для выживания цианобактерий. Полученные данные помогут сузить круг поиска подходящих для жизни миров. Например, с помощью космического телескопа Джеймс Вебб (JWST) ученые смогут оценить количество и тип света, получаемого экзопланетами.
Наша цель — выяснить, какая максимальная длина волны и минимальный уровень освещенности допускают фотосинтез, — объясняет Бартон. — Затем можно взять 100 миллиардов потенциальных звезд, на которые можно направить телескоп, и сузить их до, скажем, 50 из.
Другими словами, это может расширить представление астробиологов о типах миров, которые могут поддерживать жизнь. Остается лишь направить JWST на интересную звезду и искать проходящие перед ней планеты.
Когда свет от звезды проходит через атмосферу планеты, некоторые частоты поглощаются в зависимости от того, какие элементы в ней присутствуют. Анализируя недостающие линии в спектрах поглощения, астрономы могут определить, содержатся ли в атмосфере экзопланеты элементы, которые могут указывать на наличие жизни.
Есть очень мало способов появления кислорода в атмосфере без жизни, – объясняет Бартон. – Поэтому если нам удастся найти кислород в атмосфере одной из таких экзопланет, это будет очень сильным сигналом о потенциальном существовании жизни.
