Загадкове відкриття в печерах Нью-Мексико змінює уявлення про життя на інших планетах

Коли біолог Гейзел Бартон ступила у глибоку темряву печери, вона й уявити не могла, що натрапить на живі організми, які використовують світло як джерело енергії. Це відкриття перевертає наше уявлення про фотосинтез і про те, де у Всесвіті може існувати життя.

"Стіна світилася неймовірно яскравим зеленим. Такого насиченого кольору я ще не бачила. І при цьому мікроби жили в абсолютній темряві", — згадує Бартон, професорка геології в університеті Алабами.

Під глибокими скелястими каньйонами пустелі Чіуауа на півдні Нью-Мексико простягнулася мережа з 119 печер. Вони входять до національного парку "Карлсбадські печери". Вапнякові утворення з'явилися тут від 4 до 11 мільйонів років тому, коли сірчана кислота поступово розчиняла породу.

Головна перлина парку — печера Карлсбад. У Великій залі зі стелі звисають блискучі сталактити. Зала простягається майже на 1,2 км і шириною 191 метр.

"Потрапити сюди легко. Це велика вапнякова печера з облаштованими сходами і трапами, тож спуститися може будь-хто", - пояснює Ларс Берендт, мікробіолог з університету Упсали. Деякі ділянки навіть доступні людям на інвалідних візках.

Щороку Карлсбад відвідують близько 350 000 туристів. Більшість навіть не здогадуються, що ця печера стала місцем одного з найзагадковіших наукових відкриттів останнього десятиліття.

У повній темряві мікроби використовують світло як джерело енергії — той самий спектр, що випромінюють червоні карлики, найпоширеніші зорі нашої галактики.

Бартон впевнена: це відкриття змінює підхід до пошуку позаземного життя. Місць, де воно може існувати, виявляється значно більше, ніж ми раніше думали.

У 2018 році Ларс Берендт щойно закінчив докторантуру. Він також отримав академічну премію, яка принесла йому певну суму грошей. Саме тоді він звернувся до Гейзел Бартон із пропозицією: чи не хоче вона приєднатися до експедиції. Вона погодилася.

"Перше, що ви робите в печері Карлсбад, - спускаєтеся туристичною стежкою, а потім повертаєте за кут, - розповідає Бартон. - Я пройшла цією стежкою, мабуть, разів сорок. І щоразу, коли повертаєш за кут, перед тобою з'являється ніша, і там абсолютна темрява".

Бартон вже понад двадцять років вивчає мікроскопічне життя, приховане глибоко під землею. Але те, що сталося далі, стало несподіванкою навіть для неї.

Берендт освітив стіну ліхтариком. Ніша була темною, але під світлом на стіні з'явився шар зелених мікробів. Подальші тести показали, що це ціанобактерії - одноклітинні організми, споріднені бактеріям.

Однак, на відміну від більшості бактерій, ці мікроорганізми (їх ще називають синьо-зеленими водоростями) живляться сонячним світлом.

"Ми спускалися все глибше і глибше в печеру, - розповідає Бартон. - Нарешті ми опинилися в такому місці, де без ліхтарів нічого не видно. Нам довелося користуватися налобними ліхтарями, щоб розрізнити власні руки, і навіть тоді на стіні все ще проглядав зелений пігмент".

Зелений колір більшості рослин пояснюється хлорофілом - речовиною, що поглинає енергію світла. Під час фотосинтезу ця енергія перетворює вуглекислий газ і воду на глюкозу та кисень. У ціанобактерій цей процес майже такий самий. Але тут, у печері, сонячного світла не було.

То що ж відбувалося?

Виявилося, що ціанобактерії печери мають особливий тип хлорофілу, здатний поглинати світло на межі інфрачервоного спектру. Довжина його хвиль більша, ніж у видимого світла, і він розташований у спектрі безпосередньо перед інфрачервоним. Людське око його не бачить.

Тоді як рослини та звичайні ціанобактерії використовують хлорофіл A для фотосинтезу, мешканці печер Карлсбад здатні працювати з хлорофілом D і F, що дозволяє отримувати енергію від ближнього інфрачервоного світла.

Хоча видиме світло може проникати в печери лише на кілька десятків метрів, ближнє інфрачервоне проходить значно далі завдяки відбивним властивостям вапняку.

"Вапняк, з якого складається печера, поглинає майже все видиме світло. А для ближнього інфрачервоного печера працює як величезне дзеркало", - пояснює Бартон.

Коли дослідники виміряли освітленість у найтемнішій частині печери, вони виявили, що рівень ближнього інфрачервоного світла був у 695 разів вищий, ніж біля входу. При цьому ціанобактерії з хлорофілом D і F були присутні в усіх частинах печери, але найбільше їх було саме в глибоких, темних зонах.

Дослідники також відвідали інші печери на території національного парку "Карлсбадські печери" і вивчали менш відомі зали та пустоти. І щоразу вони знаходили фотосинтезуючі мікроби глибоко під землею.

"Ми показали, що вони не просто живуть тут, а здійснюють фотосинтез у повністю захищеному середовищі, де, ймовірно, не зазнавали впливу зовнішніх факторів понад 49 мільйонів років", - підсумовує Берендт.

Бартон і Берендт - не єдині вчені, які знаходили мікроби, здатні жити в темряві.

Ще в 1890 році український мікробіолог Сергій Виноградський виявив, що деякі мікроби можуть існувати виключно на неорганічних речовинах, використовуючи процес, який називається хемосинтезом. Ці мікроби отримують енергію через хімічні реакції, поглинаючи речовини, такі як метан або сірководень, із навколишніх порід і води.

У 1996 році Хідеакі Міясіта, тоді аспірант програми NASA, відкрив морську ціанобактерію Acaryochloris marina, яка здатна здійснювати фотосинтез як при видимому, так і при ближньому інфрачервоному світлі. Це відкриття поклало початок десятиліттям досліджень довжині хвиль, необхідних для фотосинтезу.

У 2018 році вчені з Імперського коледжу Лондона знайшли фотосинтезуючі ціанобактерії, що живуть у затінених умовах у бактеріальних матах на території Єллоустонського національного парку та всередині прибережних скель Австралії. Їм навіть вдалося виростити фотосинтезуючі мікроби в темній шафі з інфрачервоними світлодіодами.

У кожному випадку ціанобактерії використовували хлорофіл A для фотосинтезу на видимому світлі, а потім переходили на хлорофіл F для роботи з ближнім інфрачервоним світлом, недоступним для людського ока.

Ці відкриття кардинально змінюють наше уявлення про те, як може виглядати життя на інших планетах. При пошуку придатної для життя екзопланети — планети, що обертається навколо зірки в іншій сонячній системі - важливо враховувати тип зірки, навколо якої вона обертається.

Астрономи спробували класифікувати зірки за кольором їхнього випромінювання. В результаті виділили сім класів: O, B, A, F, G, K та M, розташованих у порядку спадання температури - від найгарячіших до найхолодніших. Зорі класу O і B - найгарячіші, масивні та яскраві, переважно синьо-білі.

"Вони випромінюють багато ультрафіолету, тож для життя такі зорі токсичні", - пояснює Бартон.

Зірки класу G, до яких належить і наше Сонце, мають жовтий колір і випромінюють багато світла у видимому спектрі. Теоретично вони підходять для пошуку придатних для життя світів, але зірки G становлять лише близько 8% від приблизно 10²¹ зірок у Всесвіті.

Натомість найпоширенішими зірками в нашій галактиці є червоні карлики, або зорі класу M. Більшість кам'янистих екзопланет, відкритих на сьогодні, обертаються саме навколо таких зірок.

Оскільки червоні карлики - зірки малої маси, їхні планети зазвичай обертаються дуже близько, що полегшує їхнє виявлення.

Втім, вважається, що червоні карлики мають дуже вузьку зону, придатну для життя, де не надто спекотно і не надто холодно, щоб на поверхні планети могла існувати рідка вода.

Оскільки рідка вода необхідна для життя, астробіологи приділяють особливу увагу цій ділянці, відомій як "зона Золотоволоски". На сьогодні вони виявили десятки потенційних кандидатів.

Але не всі ці планети справді здатні підтримувати життя. До того ж, спрямування на них телескопів, як-от космічний телескоп "Джеймс Вебб" (JWST), потребує часу та значних ресурсів.

Ще одним важливим чинником, який визначає можливість існування життя, є здатність до фотосинтезу.

На Землі фотосинтез лежить в основі більшості харчових ланцюгів і забезпечує кисень, яким ми дихаємо. Тому видається логічним шукати позаземне життя на планетах, де фотосинтез взагалі можливий. Це значно звужує область навколо зірки, де може існувати життя.

Раніше астробіологи вважали, що фотосинтез можливий лише при світлі з довжиною хвилі до 700 нм, що відповідає червоному кольору. Далі ефективність фотосинтезу на основі хлорофілу A починає знижуватися. Проте ціанобактерії, виявлені в печерах Карлсбаду, здатні використовувати світло з довжиною хвилі до 780 нм завдяки хлорофілу F.

"Переважна більшість зірок у нашій галактиці - це зорі класу M і K, - пояснює Бартон. - Це означає, що більшість зірок випромінює ближнє інфрачервоне світло. І все ж ми майже нічого не знаємо про те, як фотосинтез і життя можуть виживати при такому освітленні".

Бартон планує змінити цю ситуацію. Разом із Берендтом вона подала до NASA пропозицію про пошук межових умов для фотосинтетичного життя.

Ця робота передбачає спуски у найтемніші печери, щоб точно виміряти, скільки світла потрібно для виживання ціанобактерій. Отримані дані допоможуть звузити коло пошуку придатних для життя світів. Наприклад, за допомогою космічного телескопа "Джеймс Вебб" (JWST) вчені зможуть оцінити кількість і тип світла, яке отримують екзопланети.

"Наша мета - з'ясувати, яка максимальна довжина хвилі та мінімальний рівень освітленості допускають фотосинтез, - пояснює Бартон. - Потім можна взяти 100 мільярдів потенційних зір, на які можна спрямувати телескоп, і звузити їх до, скажімо, 50 зірок, які дійсно можуть бути придатними для життя".

Іншими словами, це може розширити уявлення астробіологів про типи світів, які потенційно можуть підтримувати життя. Залишиться лише спрямувати JWST на цікаву зірку і шукати планети, що проходять перед нею.

Коли світло від зірки проходить через атмосферу планети, певні частоти поглинаються залежно від того, які елементи в ній присутні. Аналізуючи відсутні лінії у спектрах поглинання, астрономи можуть визначити, чи містяться в атмосфері екзопланети елементи, які можуть вказувати на наявність життя.

"Є дуже мало способів появи кисню в атмосфері без життя, - пояснює Бартон. - Тому якщо нам вдасться знайти кисень в атмосфері однієї з таких екзопланет, це буде дуже сильним сигналом про потенційне існування життя".