Когда специализирующийся на пещерах биолог Хейзел Бартон отважилась войти в кромешную тьму, она никак не ожидала найти организмы, использующие энергию света. Она поняла, что это новое понимание фотосинтеза в темноте означает, что жизнь в других частях Вселенной может существовать в местах, которые нам никогда раньше не казались вероятными, пишет Русская служба Би-би-си.
«Стена была ярко-зеленой. Это был самый радужный зеленый цвет, который вы когда-либо видели, и при этом микробы жили в полной темноте», — говорит Бартон, профессор геологических наук Университета Алабамы.
Под глубокими скалистыми каньонами пустыни Чиуауа в южной части Нью-Мексико залегает сеть из 119 пещер. Эти пещеры, входящие в состав национального парка «Карлсбадские пещеры», образовались от четырех до 11 миллионов лет назад в результате растворения известняковых пород серной кислотой.
Главная достопримечательность парка — пещера Карлсбад. Здесь сверкающие сталактиты свисают с потолка Большой комнаты, огромной подземной камеры длиной почти 1220 м и шириной 191 м.
«В пещеру Карлсбад очень легко попасть. Это очень большая известняковая пещера, которую могут посетить туристы, в ней есть ступени и лестницы, и каждый может спуститься вниз», — говорит Ларс Берендт, микробиолог из Университета Упсалы. Часть пещерной системы доступна даже для людей в инвалидных колясках.
Ежегодно Карлсбадскую пещеру посещают почти 350 000 человек, но большинство из них даже не подозревают, что эта пещера стала местом одного из самых загадочных научных открытий последнего десятилетия.
В кажущейся полной темноте микробы смогли использовать в качестве источника энергии свет — тот же самый свет, который излучают красные карлики, самые распространенные звезды в нашей галактике.
По словам Бартон, это означает, что мы можем искать внеземную жизнь в большем количестве мест, чем считалось ранее.
В 2018 году Берендт только что закончил докторантуру. Он также получил академическую премию, которая принесла ему некоторую сумму денег. Он связался с Бартон и спросил, не хотела бы она сопровождать его в экспедиции. Она согласилась.
«Первое, что вы делаете в пещере Карлсбад, — это спускаетесь по туристической тропе, а затем поворачиваете за угол, — говорит Бартон. — Я не знаю, сколько раз я прошла по этой тропе, наверное, раз 40. В этот момент вы поворачиваете за угол, а за вами находится ниша, и там совершенно темно».
Более 20 лет Бартон изучает микроскопическую жизнь, обнаруженную глубоко под землей. Однако то, что произошло дальше, стало сюрпризом даже для нее.
Берендт посветил фонариком на стену. Хотя ниша была абсолютно черной, в свете фонаря на стене был заметен слой зеленых микробов. Позже тесты показали, что это цианобактерии — одноклеточные организмы, родственные бактериям. Однако, в отличие от большинства бактерий, цианобактерии (также известные как сине-зеленые водоросли) используют для питания солнечный свет.
«Мы стали спускаться все глубже и глубже в пещеру, — говорит Бартон. — В конце концов мы оказались в месте, где без фонариков было ничего не видно. Нам пришлось использовать налобные фонари, чтобы видеть свои вытянутые руки, и даже тогда на стене все еще был виден зеленый пигмент».
Зеленый цвет большинства растений объясняется химическим веществом хлорофилл, который поглощает энергию света. В процессе фотосинтеза эта энергия используется для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и кислород. Этот процесс у цианобактерий протекает практически так же. Однако здесь, в пещере, не было солнечного света.
Так что же происходило?
Оказалось, что цианобактерии в пещере имеют особую разновидность хлорофилла, способную улавливать свет на границе инфракрасного диапазона. Его длина волны больше, чем у видимого света, в электромагнитном спектре он находится непосредственно перед инфракрасным. Человеческий глаз его не видит.
В то время как растения и цианобактерии используют хлорофилл А для фотосинтеза, цианобактерии в пещерах Карлсбада используют хлорофилл D и F, которые способны генерировать энергию из ближнего инфракрасного света.
Хотя видимый свет может проникать в пещеры только на несколько десятков метров, ближний инфракрасный свет может проникать гораздо дальше благодаря отражающим свойствам известняковых пород.
«Известняковая порода, из которой состоит пещера, поглощает почти весь видимый свет, но для ближнего инфракрасного света пещеры — это практически зал зеркал», — говорит Бартон.
Когда исследователи измерили уровень освещенности в самой темной части пещеры, они обнаружили, что уровень ближнего инфракрасного света был в 695 раз выше, чем у входа. В то же время, хотя цианобактерии, содержащие хлорофилл D и F, присутствовали во всех частях пещеры, в самых темных и глубоких местах их концентрация была самой высокой.
Исследователи также посетили другие пещеры в Национальном парке «Карлсбадские пещеры» и исследовали другие малоизвестные пещеры и каверны. И каждый раз они обнаруживали фотосинтезирующие микробы глубоко под землей.
«Мы показали, что они не только живут там, но и фотосинтезируют в полностью защищенной среде, где, вероятно, они не подвергались воздействию внешних факторов в течение 49 миллионов лет», — говорит Берендт.
Бартон и Берендт — не единственные ученые, которые обнаружили микробы, способные жить в темноте.
В 1890 году украинско-российский микробиолог Сергей Николаевич Виноградский обнаружил, что некоторые микробы могут жить исключительно на неорганических веществах, используя процесс, называемый хемосинтезом.
Эти микробы получают энергию посредством химических реакций, поглощая химические вещества, такие как метан или сероводород, из окружающих пород и воды.
В 1996 году Хидеаки Миясита, который в то время был студентом аспирантуры программы НАСА, открыл морскую цианобактерию Acaryochloris marina, способную осуществлять фотосинтез с использованием как видимого, так и ближнего инфракрасного света. Это открытие положило начало десятилетиям исследований длины волн света, необходимых для фотосинтеза.
Затем, в 2018 году, ученые из Имперского колледжа Лондона обнаружили фотосинтезирующие цианобактерии, живущие в тенистых условиях в бактериальных матах в Йеллоустонском национальном парке и внутри некоторых прибрежных скал в Австралии.
Им даже удалось вырастить фотосинтезирующие микробы в темном шкафу, оборудованном инфракрасными светодиодами. В каждом случае цианобактерии использовали хлорофилл А для фотосинтеза с использованием видимого света, но затем перешли на использование хлорофилла F для фотосинтеза с использованием ближнего инфракрасного света, недоступного для человеческого зрения.
Эти открытия меняют наши представления о том, как может выглядеть жизнь на других планетах. При поиске пригодной для жизни экзопланеты — планеты, которая обращается вокруг звезды в другой солнечной системе — важно учитывать тип звезды, вокруг которой она обращается.
Астрономы попытались сгруппировать звезды по цвету излучаемого ими света, в результате чего было выделено семь классов звезд (O, B, A, F, G, K и M), которые расположены в порядке убывания температуры, от самых горячих до самых холодных. Звезды типа O и B — самые горячие, массивные и яркие звезды во Вселенной, как правило, сине-белого цвета.
«Они излучают 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 эти звезды были бы хорошим местом для поиска пригодных для жизни миров, но звезды типа G составляют всего 8% от примерно 1021 звезд во Вселенной.
Однако самым распространенным типом звезд в нашей галактике являются красные карлики, или звезды типа M. Большинство каменистых экзопланет, открытых на сегодняшний день, было обнаружено на орбите этого типа звезд.
Поскольку красные карлики — это звезды с малой массой, их планеты, как правило, вращаются по близкой орбите, что облегчает их обнаружение.
Однако в настоящее время считается, что красные карлики имеют очень узкую зону обитаемости — область на определенном расстоянии от звезды, где не слишком жарко и не слишком холодно для существования жидкой воды на поверхности планеты.
Поскольку наличие жидкой воды необходимо для жизни на Земле, астробиологи при поиске внеземной жизни уделяют особое внимание этой зоне, известной как «зона Златовласки». На данный момент они обнаружили десятки кандидатов.
Однако не все эти планеты могут поддерживать жизнь, а наведение на них телескопов, таких как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), требует времени и значительных ресурсов.
Еще один важный фактор, определяющий возможность существования жизни, — это возможность фотосинтеза.
На Земле фотосинтез лежит в основе большинства пищевых цепей и обеспечивает кислород, которым мы дышим. По этой причине кажется разумным ограничить поиски внеземной жизни планетами, на которых может происходить фотосинтез. Это может значительно сократить зону вокруг звезды, где может существовать жизнь.
В прошлом астробиологи устанавливали предел для фотосинтеза на длине волны 700 нм в спектре света, что соответствует длине волны красного цвета. Это точка, в которой эффективность фотосинтеза с использованием хлорофилла А снижается. Однако цианобактерии, обнаруженные в пещерных системах Карлсбада, могут использовать свет с длиной волны до 780 нм с помощью хлорофилла F.
«Подавляющее большинство звезд в нашей галактике — это звезды типа M и K, — говорит Бартон. — Это означает, что большинство звезд в нашей галактике излучают ближний инфракрасный свет, и тем не менее мы почти ничего не знаем о том, как фотосинтез и жизнь могут выжить в условиях освещения, которое производит такая звезда».
Бартон планирует изменить эту ситуацию. Вместе с Берендтом она подала в NASA предложение о поиске предельных условий для фотосинтетической жизни.
Эта работа будет включать в себя спуск в самые темные пещеры, чтобы точно измерить, сколько света необходимо для выживания цианобактерий. Эта информация затем может быть использована, чтобы сузить круг поиска пригодных для жизни миров. Например, с помощью JWST ученые могут измерить количество и тип света, который получают экзопланеты.
«Наша работа направлена на то, чтобы выяснить, какова самая длинная длина волны света и самый низкий уровень освещенности, при которых возможен фотосинтез, — говорит Бартон. — Затем можно взять 100 миллиардов потенциальных звезд, на которые мы можем направить космический телескоп „Джеймс Уэбб“, и сократить их количество до, скажем, 50 звезд [которые могут быть пригодны для жизни]».
