Кишечные палочки и дрожжи смогли выжить в водородной атмосфере

Микроорганизмы могут выжить в атмосфере, полностью состоящей из водорода, то есть среде, которая сильно отличается по составу от атмосферы Земли. Как показал новый эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Nature Astronomy, даже в отсутствие кислорода дрожжи и кишечные палочки способны размножаться и поддерживать стабильную численность колонии. Эта работа открывает новые перспективы для астробиологических исследований, демонстрируя, что жизнь, подобная земной, может гипотетически существовать на планетах с преимущественно водородными атмосферами.

Миллиарды лет назад атмосфера Земли выглядела совсем иначе, нежели сегодня: она была довольно примитивна и состояла из смеси углекислого газа, метана и небольшого количества водорода. Исследователи предполагают, что водород присутствовал в заметном количестве в газовой оболочке планеты долгое время, вплоть до наступления так называемой кислородной катастрофы, когда около 2,5 миллиардов лет назад ее состав сильно поменялся и приобрел окислительный характер.

Сегодня атмосфера Земли представляет собой смесь преимущественно азота и кислорода, однако в ней также сохранилась и крошечная доля других газов, включая водород, которым питаются некоторые примитивные организмы. В их число входят метаногены-экстремофилы — микробы, которые живут в сложных климатических условиях, например глубоко подо льдом или в пустынях, и поглощают водород вместе с углекислым газом для производства метана. Ученые регулярно изучают активность таких метаногенов в лабораторных условиях с 80-процентным содержанием водорода, однако исследований, в которых изучается устойчивость других микробов к среде, где содержание водорода выше, до сих пор почти не проводилось.

Группа биологов под руководством Сары Сигер (Sara Seager) из Массачусетского технологического института решила проверить, смогут ли выжить примитивные организмы в атмосфере, состоящей на 100 процентов из водорода. В качестве подопытных они выбрали бактерии Escherichia coli, представляющие собой простые прокариоты, и дрожжи Saccharomyces cerevisiae, чуть более сложные организмы, которые до сих пор не изучались в средах, где преобладает водород.

Биологи по отдельности вырастили культуры дрожжей и кишечной палочки, а затем поместили их во флаконы, наполненные богатым питательными веществами «бульоном». После исследователи закачали в емкости несколько видов «атмосфер», включая 100-процентный водород, 100-процентный гелий, смесь из углекислого газа и азота и воздух, и поместили их в специальный инкубатор с температурой 28 градусов Цельсия. Каждый час с момента начала эксперимента ученые брали образцы и считали, как меняется количество микробов.

Результатом эксперимента стала классическая кривая роста микроорганизмов: в начале число бактерий и дрожжей быстро росло, после чего этот рост постепенно замедлился и достиг плато. Спустя 80 часов колония все еще оставалась в стабильном состоянии и число микробов сохранялось примерно на том же уровне, поскольку новые организмы продолжали расти, заменяя те, что погибли. При этом для Escherichia coli, выращенных в атмосфере со 100-процентным содержанием водорода, максимальная концентрация клеток (количество клеток на единицу объема) оказалась чуть более чем в два раза меньше, чем у бактерий, выращенных в обычной воздушной среде. В случае с дрожжами сокращение числа организмов по сравнению с контрольной группой оказалось более существенным — на два с половиной порядка, причем это сопровождалось трехкратным замедлением скорости роста колонии.

Однако в целом, биологи заключают, что существование кишечной палочки и дрожжей в водородной атмосфере возможно. При этом они отмечают, что эксперимент не показывает, могут ли микробы зависеть от водорода как источника энергии, а скорее, демонстрирует, что 100-процентная водородная атмосфера не будет вредить или уничтожать определенные формы жизни. С другой стороны, ученые указывают, что в реальности встретить каменистую экзопланету с оболочкой, полностью состоящей из водорода будет непросто: она всегда будет иметь другие газовые компоненты, которые являются продуктами планетарной геологии или атмосферной фотохимии.

Сегодня исследователи в поисках следов внеземной жизни ориентируются на биомаркеры — вещества, которые говорят о том, что на планете могут существовать растения или микроорганизмы. В 2018 году ученые пришли к выводу, что на наличие живых организмов на экзопланете может указать одновременное присутствие метана, азота, углекислого газа и водяного пара в ее атмосфере.

Кристина Уласович