У романі Майкла Крайтона «Штам Андромеди» смертельно небезпечний інопланетний мікроб добирається до Землі на борту збитого військового супутника. Найкращі вчені намагаються зробити все можливе, щоб врятувати людство. На щастя, це лише роман, і загроза позаземного життя для людей поки залишається лише на сторінках наукової фантастики. Проте вчені вже зараз роблять усе можливе, щоб не лише захистити нас, а й імовірних «їх» від «нас». Для чого це потрібно? Як стерилізують космічні апарати? Чим схожа мікробіологія та криміналістика? Чи небезпечний Ілон Маск для Марса? Хто розсипав на Місяці тихоходів?
Презумпція вини
Поки існування позаземного життя не доведене й не спростоване. Тому космічні місії повинні проводитися так, щоб не перенести земне життя на інші планети та їхні супутники. Звісно, інцидент з кроликами в Австралії навряд чи може повторитись на Венері чи Марсі. Навіть якщо хтось візьме на корабель пухнастого улюбленця, він не виживе на чужій планеті.
Презумпція вини насамперед стосується мікроорганізмів, велика частина яких є екстермофілами й можуть виживати в найжорсткіших умовах або будувати собі броню й у формі спор десятиліттями чекати на сприятливий час. Так, наприклад деякі археї та бактерії можуть витримувати високий атмосферний тиск, жити в гарячих джерелах, в надзвичайно кислих, лужних, солених середовищах, ігнорувати радіацію1. А спори сибірської виразки, збудника надзвичайно небезпечного інфекційного захворювання, і досі наводять страх через можливість на розкопках натрапити на поховання загиблих людей та худоби2.
Саме мікроорганізми можуть стати загрозою, але поки не для людства чи позаземних цивілізацій, а насамперед — для наукових досліджень. Вони можуть зайцем з’їздити на Марс і забруднити зразки, потрібні вченим для вивчення життя та слідів життя у космосі. А вже потім і не розбереш, де наші, а де чужі крихітки.
Мікрокриміналістика. Як спіймати злодія за джгутик?
Мікробіологія часом схожа на криміналістику: щоб спіймати злочинця, спершу треба за ним простежити й знайти докази його провини. На будівництві космічних апаратів, звісно, ніхто не встановлює мікрокамери спостереження. У мікробіологічних детективів свої методи виявлення нелегальних емігрантів.
Один із найпростіших — метод культивування мікробних популяцій. Різні поверхні космічного корабля промивають простерилізованим буфером, який не зашкодить мікроорганізмам. Після цього буфер з живими мікроорганізмами «висівають» на кілька стандартних поживних середовищ і тримають у сприятливих температурних умовах. А потім дивляться та визначають, хто ж там виріс3. Цей метод не ідеальний, адже мікросвіт різноманітний, тож є ймовірність, що комусь не підійдуть стандартні середовища і зловмисник залишиться непоміченим. Проте цей метод постійно вдосконалюється. Так, вчені з Бостонського університету розробили спеціальні дифузні камери, які можуть відтворювати природні умови й вирощувати мікроорганізми, які неможливо було впіймати на синтетичних поживних середовищах4.
Другий, більш сучасний метод дозволяє повністю уникнути проблем із примхами бактерій на синтетичних середовищах і дозволяє зробити «групове фото» всієї мікробної спільноти у досліджуваному зразку. Це метод на основі аналізу послідовностей генів 16S і 18S рРНК. Для цього потрібно спочатку виділити ДНК в зразку, а потім провести ПЛР-ампліфікацію (багато ксерокопій) генів 16S та 18S рРНК. Ці ділянки ДНК є гіперваріабельними, тобто вони різні для різних видів бактерій. Знаючи особливості цих ділянок для кожного окремого виду, їх можна легко впізнавати на групових фото5.
Дослідження видового складу стерильних кімнат може не лише запобігти небажаному біологічному забрудненню, а й відкривати нові види бактерій з унікальними особливостями. Так, у 2007 році була знайдена бактерія Tersicoccus phoenicis. Її існування відкрили одночасно та незалежно у двох лабораторіях у різних куточках Землі: у Космічному центрі Кеннеді, що у США, та Гавіанському космічному центрі в Південній Америці. Це, звісно, не означає, що така бактерія більше ніде не мешкає і шукає лише космічні центри. Це означає, що раніше вона просто не потрапляла на очі дослідникам через складність виділення одного виду мікроорганізмів серед усієї різноманітності в природних умовах7. А у 2018 знайшли цікаву особливість бактерії роду Acinetobacter. За відсутності поживних речовин вони могли переходити на незвичні джерела енергії — мийні засоби, які застосовували проти них. Acinetobacter не тільки виявились стійкими до агресивних засобів стерилізації, а й навчилися метаболізувати етанол, ізопропіловий спирт та клінол-30 (мийний засіб для підлоги)8!
Але головна мета таких досліджень — виявити та нейтралізувати бактерії, що потенційно можуть виживати у космосі. І вченим таки вдалося спіймати на гарячому кількох особливо небезпечних нелегалів.
Головні підозрювані. Які мікроорганізми виживають в умовах відкритого космосу
Устаткування для збирання космічних кораблів є унікальним мікробіологічним середовищем. Тут все постійно і ретельно очищується протимікробними засобами. Таке середовище надзвичайно бідне на поживні речовини. Мікроорганізми, які там виживають, є дуже стійкими до висихання, хімічних та фізичних методів стерилізації, радіаційного випромінювання і потребують мало поживних речовин. Саме такі мікроорганізми можуть вижити в космосі.
Першим підозрюваним на лаві підсудних є бактерія Bacillus pumilus. Це , яка вважається основним забруднювачем лабораторій для збирання космічних апаратів NASA. І цей факт викликає стурбованість вчених, оскільки космічні апарати не лише курсують поблизу планет, а й висаджуються на них. А в деяких із цих планет середовище може виявитись досить прийнятним для виживання мікроорганізмів, як, наприклад, у Марса.
Марс, як і бог, на честь якого його назвали, не надто приязний. Його поверхня містить ферати заліза, що є одним із найсильніших окиснювачів і, як наслідок, має антисептичні властивості. Разом із засухою, потужним ультрафіолетовим випромінюванням і атмосферою з високим вмістом вуглекислого газу такі умови роблять можливість забруднення Марсу життям не надто високими, але це не лякає таких наполегливих емігрантів, як Bacillus pumilus.
В одному з досліджень науковці з Університету Айдахо спробували відтворити Марсіанські умови: кварцовий пісок з 20% вмістом ферату заліза, високий вміст вуглекислого газу, ультрафіолет і відсутність води. Навіть у таких жорстких умовах ендоспори Bacillus subtilis виживали! Найбільшою проблемою для них був не ферат заліза, а ультрафіолет, проте навіть невеликий шар піску допомагав їм урятуватись3.
А деякі бактерії здатні виживати у відкритому космосі під нищівними променями ультрафіолету навіть без піску. На лаві підсудних — другі підозрювані: Deinococcus radiodurans та його брат Deinococcus aetherius. Ці двоє були знайдені в атмосфері на висоті 12 км над землею і привернули увагу вчених своєю стійкістю до ультрафіолетового випромінювання. Тому японські дослідники Ямагіші та Танпопо вирішили, що ці бактерії можуть стати чудовими космонавтами.
Дейнококи можуть пережити рівень радіації, в тисячі разів більший за смертельну дозу для людини. Вони живуть великими колоніями, які утворюють товсті агрегати. Такі агрегати різної товщини були відправлені на Міжнародну космічну станцію, де перебували в умовах відкритого космосу без будь-якого захисту. Експеримент тривав три роки, і після його закінчення космотуристів повернули додому. Як виявилось, усі агрегати товщиною понад 0,5 мм дозволяли дейнококам вижити і щасливо повернутися додому. До того ж розрахунки вчених показали, що кулька з агрегату дейнококів товщиною понад 0,5 мм може спокійнісінько виживати в космосі від 15 до 45 років. У чому їхній секрет? Дейнококи — такий собі Домінік Торетто мікросвіту, для них найголовніше — сім’я. Коли клітини верхніх шарів агрегату не витримують радіаційного випромінювання, то навіть після загибелі захищають родичів усередині колонії6.
Звісно, здатність роками виживати у відкритому космосі чи в ґрунтах з сильними окисниками — це лише половина справи. Дуже багато інших факторів можуть вплинути на спроможність організму вижити на чужій планеті: чи не згорить він на високих швидкостях при падінні в атмосфері, чи не потрапить на відкриту ділянку під безжальним сонячним промінням, які на планеті коливання температури тощо. Але навіть невелика ймовірність не дорівнює нулю. Можливе також існування мікроорганізмів, які все ще залишаються інкогніто в космічних лабораторіях. Тому вчені заздалегідь дбають про чистоту космосу. Як їм це вдається?
Пряме забруднення. Як не «насмітити» життям у космосі
Приміщення, у яких виготовляють і збирають космічні апарати, — одні з найстерильніших місць на нашій планеті. Тут постійно моніторять рівень біологічного забруднення, тверді частинки відфільтровуються з повітря потужними кондиціонерами, підтримується низька вологість, а більшість поверхонь це поліровані метали. Обладнання стерилізують випарами перекису водню, протирають усі поверхні етанолом та ізопропіловим спиртом. Середня щільність спор на поверхнях космічного апарата повинна бути не вища ніж 300 спор на квадратний метр (100% стерильність — це зі сфери наукової фантастики)14. Це все необхідно, щоб запобігти прямому забрудненню — перенесенню живих організмів та органічних речовин на інші планети.
Цікаво, що пряме забруднення загрожує не лише іншим планетам, а й унікальним екосистемам тут, на Землі. Озеро Восток — найбільше підльодовикове озеро Антарктиди. За оцінками вчених, озеро було замкнуте льодовим куполом близько 15 мільйонів років, і це могло дозволити сформуватись під льодом унікальній природній екосистемі. Буріння льоду, яке тривало ще з 1989 року, було зупинене в 1999 році за 100 метрів до поверхні озера і відновилось у 2006 році. Це було необхідно для зміни технології на чистішу і безпечнішу. Проте навіть заміни технології виявилось недостатньо, і зараз деякі вчені сумніваються в тому, що чистота експерименту була збережена15, 16. Як бачимо, питання забруднення зразків має першочергове значення. Але хто встановить правила чистоти в космосі?
Ще перед висадкою на Місяць, у 1958 році, за дорученням Міжнародної ради наукового союзу (тепер — Міжнародна наукова рада) був створений Комітет з космічних досліджень (COSPAR — Committee on Space Research), який сприяє проведенню досліджень у космосі, допомагає збирати й обмінюватись інформацією та надає рекомендації щодо питань забруднення.
COSPAR створив класифікацію планет та супутників на основі їхнього потенціалу для вивчення життя та органічних речовин. Наприклад, про одні планети достеменно відомо, що жодних форм життя там не існує і не могло існувати, як і не могло утворюватися органічних речовин. Це означає, що для вивчення життя та хімічної еволюції вони мало цікаві. Місії до таких планет отримують найнижчу — першу — категорію. Політикою COSPAR захист таких космічних об’єктів не гарантується і на них не накладають жодних вимог планетарного захисту.
Проте інші планети можуть мати значний науковий інтерес для розуміння, як зароджувалося життя, містити воду чи якісь органічні речовини, як-от метан в атмосфері. Тоді залежно від ступеня важливості їм надають другу, третю, четверту чи п’яту категорії. Залежно від цієї категорії COSPAR вимагають детальної документації з питань біозахисту: аналіз для підрахунку біонавантаження, використання чистих приміщень для збирання апаратів, стерилізацію обладнання, яке буде контактувати з поверхнею. В окремих випадках вимагають навіть відхилення траєкторії після завершення місії. Так, зонд «Юнона», який відправили до Юпітера та його супутників, повинен після завершення своєї місії у 2025 році розбитись на Юпітері, щоб гарантувати чистоту одного з його супутників Європи, на якому підозрюють існування рідкого океану під товстим шаром льоду на поверхні. Що більший потенціал для життя на планеті чи супутнику, то більше захисту COSPAR вимагає3, 9, 12. Проте COSPAR не всемогутній і не завжди може захистити від прикрих інцидентів.
Хто насмітив тихоходами на Місяці?
22 лютого 2019 року ізраїльська компанія SpaceIL запустила космічний апарат Bereshit, який у квітні дістався до Місяця… ну, майже дістався. Апарат успішно розтинав космос, роблячи по дорозі знімки, але на 48 день місії втратив зв’язок з командним центром і врізався в Місяць. Звісно, невдачі трапляються, але в цьому випадку замість щирих співчуттів організатори отримали критику за недотримання правил COSPAR10.
Річ у тім, що окрім капсули часу з повною версією Вікіпедії, Торою та національним гімном Ізраїлю, в останній момент на борт апарату помістили генетичні зразки та живих тихоходів. Ідея такого вчинку була в тому, щоб космічний корабель був своєрідним Ноєвим ковчегом. Відповідальним за таку ініціативу був некомерційний фонд Arch Mission Foundation. Ця організація створює надійні архіви з усіма найважливішими знаннями, які здобуло людство, щоб в разі їхньої втрати наступні покоління могли відновити цивілізацію. Одну копію такого архіву вони вже сховали у бардачок вишневої «Тесли» Ілона Маска SpaceX Falcon Heavy, що була запущена на сонячну орбіту у 2018 році. А в Bereshit вони вирішили піти далі та зберегти не лише знання, а й генетичну інформацію і тихоходів, які могли б стати резервною копією життя17,18.
Щоб краще розуміти цю ситуацію, слід трохи пояснити про тихоходів. Тихоходи — це мікроскопічні безхребетні, які можуть позмагатися у виживанні з бактеріями. В несприятливих умовах вони здатні впадати в стан ангідробіозу — їхні тіла втрачають вологу, поверхня вкривається восковою оболонкою, а метаболізм падає до 0,01% від нормального. У такому стані вони можуть витримувати неймовірні навантаження (наприклад, виживати до 30 років за температури -20°С), дозу радіації, в тисячу раз вищу, ніж людина, тиск 6000 атмосфер та навіть космічний вакуум11, 19, 20.
І от внаслідок невдалої космічної місії ці машини для виживання могли потрапити на поверхню Місяця. Звісно, люди не знайшли воду на нашому супутнику, тож ці крихітки навряд чи виживуть там. Але якби це була, наприклад, планета земного типу, цілком імовірно, що вони могли б себе комфортно почувати там і навіть нашкодити тим, хто оселився першим. Тому COSPAR постійно оновлюють свої правила і намагаються більше не допускати таких прикрих інцидентів.
Зворотне забруднення. Як не привезти з собою непроханих гостей?
Постійному оновленню політики міжпланетного захисту сприяє також поява нових гравців на космічному полі. Освоєння космосу тепер стає можливим і для приватних компаній, таких як SpaceX Ілона Маска. Щоб гарантувати чистоту космосу, стає необхідним встановлення жорсткіших правил у цій сфері. Це потрібно не лише для проведення досліджень, а й для нашої безпеки. Особливо коли йдеться про зворотне забруднення.
Зворотне забруднення — це забруднення Землі позаземним біологічним матеріалом, який може бути потенційно небезпечним. Я працюю в лабораторії та за правилами техніки безпеки ми поводимося з біологічними зразками так, ніби вони всі потенційно небезпечні, незалежно від того, чи це кров ВІЛ-інфікованої людини, чи сеча для тесту на наркотики. І це правильно, оскільки загроза може бути неочевидною.
За таким самим принципом діють правила планетарного захисту від зворотного забруднення. У 1969 році, коли астронавти «Аполлона-11» повернулися з Місяця на Землю, вони провели три тижні на карантині, щоб переконатися, що з Місяця не привезли якихось непроханих гостей. Ніл Армстронґ навіть відсвяткував там свій 39-й день народження12.
Зараз Місяць вважається безпечним і вільним від біологічних загроз (не враховуючи тихоходів, які, може, колись-таки знайдуть там воду). Основну загрозу зворотного забруднення для Землі становить інший наш сусід — Марс.
Просто зараз десь на поверхні планети блукає марсохід Perseverance, що збирає зразки для наступної місії, яка приблизно у 2033 році повинна повернутися на Землю. Perseverance шукає ознаки сприятливих для життя умов тепер чи в минулому, а також біосигнатури — сліди життя чи води на цій планеті.
Щоб захистити чистоту наукового експерименту, марсохід був зібраний у найкращих умовах для збереження стерильності. Тепер же завдання полягає в тому, щоб безпечно доставити ці зразки на Землю. Для цього заплановано герметизувати пробірки зі зразками, а після повернення на нашу планету вони будуть оброблені ззовні, як найнебезпечніші віруси, й поміщені в карантин, аж поки не буде доведена їхня безпечність. Якщо ж будуть знайдені ознаки позаземного життя, здатного до розмноження всередині пробірок, зразок повинен буде залишатись на збереженні, або вміст пробірки повинен бути простерилізованим3,13.
Незалежно від того, чи буде знайдене життя на Марсі, дотримання заходів безпеки безперечно важливий пункт для космічних місій. Адже, можливо, колись люди подорожуватимуть значно далі, в більш густонаселені куточки космосу, і не хотілося б привезти звідти якихось небезпечних космобліх.
