Bakterieoverlevelse i salt frostvæske giver håb om liv på Mars og iskolde måner

Ny forskning fra et transatlantisk hold af forskere tyder på, at bakterier kan overleve i saltholdige kemikalier, der findes på Mars, Enceladus, Europa, Pluto og muligvis andre steder.

Opdagelsen af ​​faner og underjordiske oceaner på Jupiters måne Europa, organiske materialer på Mars, og sandsynligheden for hydrotermiske udluftninger i havene af Saturns måne Enceladus, centimeter menneskeheden tættere på at opdage livet andetsteds. Sådant liv ville skulle modstå ekstreme miljøer, og tidligere undersøgelser peger på, at forskellige typer bakterier kan.

Flydende oceaner på nogle kroppe langt fra Solen har lavere frysepunkter på grund af kemikalier og salte, der svarer til frostvæske, så mikrobielt liv skulle overleve både temperaturerne og elementerne. For at zoome ind på parametre for mikrobiel overlevelse, forskere fra det tekniske universitet i Berlin, Tufts University, Imperial College London, og Washington State University udførte test med Planococcus halocryophilus, en bakterie fundet i den arktiske permafrost.

De udsatte bakterierne for natrium, magnesium og calciumchlorid cocktails, samt opløsninger af perklorat, som er en kemisk forbindelse, der kan hjælpe Mars med at opretholde flydende vand i løbet af sommeren. Hovedforfatter Jacob Heinz, fra det tekniske universitet i Berlins Center for Astronomi og Astrofysik, siger, at forskerne udvidede sig ud over den konventionelle natriumchloridopløsning, fordi "der er meget mere end det på Mars."

Giftig for liv

Da perklorater er giftige i store koncentrationer, forskere ønskede at afgøre, om hvor meget og i hvilke koncentrationer de kan hæmme bakteriel overlevelse. Overlevelsesrater for bakterier i perklorat var langt lavere end i alle de andre løsninger, selvom ved temperaturer så lave som –30 grader Celsius (–22 grader Fahrenheit), satserne var lidt bedre.

Heinz forklarer, at den laveste frysepunktssænkning - i hvilken grad et opløst stof kan sænke en opløsnings frysetemperatur - for perklorat kræver omkring 50 procent af massen af ​​den samlede opløsning, hvilket er utroligt højt sammenlignet med frysepunktet for andre klorider. På grund af dets toksicitet, den lave overlevelsesevne for bakterier i koncentrerede perkloratopløsninger er ikke overraskende.

Betyder det, at Mars ikke kan understøtte mikrobielt liv? Ifølge Heinz, livet er stadig en mulighed der. Tilstedeværelsen af ​​perklorat "ville ikke udelukke liv på Mars eller andre steder, " siger han. "Bakterier i ti procent perkloratopløsninger kan stadig vokse." Mars' overfladejord indeholder mindre end én vægtprocent perklorat, men Heinz påpeger, at saltkoncentrationerne i opløsninger er anderledes end i jord.

Tilpasset til at overleve

Flydende perkloratopløsninger kan også fortyndes for at øge bakteriernes evne til at overleve, selvom en balance mellem koncentration og temperatur skulle opretholdes.

Theresa Fisher, en ph.d. studerende ved Arizona State University's School of Earth and Space Exploration, der fokuserer på mikrobiel økologi og planetarisk beboelighed, er enig i, at undersøgelsens resultater ikke udelukker bakteriel overlevelse på Mars – faktisk, måske det modsatte.

Steder som Atacama-ørkenen (verdens tørreste miljø) i Chile og dele af Antarktis har relativt høje perkloratniveauer, Fisher fortæller Astrobiology Magazine.

"Jeg ville blive overrasket, hvis mikrober ikke har udviklet en måde at håndtere den toksicitet på, " hun siger.

Generelt, koldere temperaturer øger mikrobiel overlevelse, men temperatur er ikke en "one-size-fits-all" faktor – typen af ​​mikrobe og sammensætningen af ​​den kemiske opløsning bestemmer også det søde sted for overlevelse. Forskerne fandt ud af, at bakterier i en natriumchloridopløsning (NaCl) døde inden for to uger ved stuetemperatur. Ved fire grader celsius, øget overlevelse, og når temperaturen når -15 grader Celsius (5 grader Fahrenheit), næsten alle bakterierne overlevede. NaCl har et højere frysepunkt (–21 grader Celsius/–5,8 grader Fahrenheit) end de andre salte; bakterier i magnesium- og calciumchloridopløsningerne havde høje overlevelsesrater ved –30 grader Celsius (–22 grader Fahrenheit).

Dette er ikke overraskende, fordi "alle reaktioner, inklusive dem, der dræber celler, er langsommere ved lavere temperaturer, " siger Heinz, "men bakteriel overlevelse steg ikke meget ved lavere temperaturer i perkloratopløsningen, hvorimod lavere temperaturer i calciumchloridopløsninger gav en markant stigning i overlevelsesevnen."

Resultaterne varierede også mellem de tre mere konventionelle saltvandsopløsningsmidler. Bakterier i calciumchlorid (CaCl2) havde signifikant lavere overlevelsesrater end dem i natriumchlorid (NaCl) og magnesiumchlorid (MgCl2) mellem 4 og 25 grader Celsius, men lavere temperaturer øgede overlevelsen hos alle tre.

Forskere udsatte bakterierne for adskillige fryse/tø-cyklusser, der spænder fra 25 grader Celsius (77 grader Fahrenheit) til -50 grader Celsius (-58 grader Fahrenheit). Mars kan gennemgå nogle ret dramatiske overfladetemperaturændringer, både dag- og sæsonbestemt, afhængigt af placeringen på planeten siger Heinz. Den gennemsnitlige temperatur på Mars er omkring –60 grader Celsius (–76 grader Fahrenheit), med temperaturer ved polerne faldende til -125 grader Celsius (-193 grader Fahrenheit). Følgelig, bakterier skal kunne tåle ekstreme udsving for at overleve.

Generelt, saltere løsninger forbedrede fryse/tø overlevelsesrater. Ifølge Fisher, "bakterie, når man er stresset, har choksvar. De fremstiller specifikke proteiner, der hjælper dem med at tilpasse sig, overleve, og klare skadelige miljøer." Tilsætning af 10 procent natriumchlorid reducerede den mikrobielle dødsrate fra 20 procent til 7 procent og øgede antallet af fryse/tø-cyklusser, som bakterierne kunne opretholde fra 70 til 200. Bakterier fremstiller stabiliserende proteiner som en chokrespons på svære miljøer, Fisher forklarer, "men der er kun så mange chokproteiner, bakterier kan producere."

Overlevelse kontra vækst

Mens undersøgelsen giver indsigt i udenjordiske mikrobielle muligheder, Heinz understreger forskellen mellem at overleve og at trives. Bare fordi bakterier lever under visse forhold, betyder det ikke, at de rent faktisk vokser. Heinz arbejder i øjeblikket på en anden undersøgelse for at bestemme, hvordan forskellige koncentrationer af salte på tværs af forskellige temperaturer påvirker bakteriel udbredelse.

"Overlevelse versus vækst er en virkelig vigtig skelnen, "Fisher bekræfter, "men livet formår stadig at overraske os. Nogle bakterier kan ikke kun overleve i lave temperaturer, men kræver, at de metaboliserer og trives. Vi bør prøve at være upartiske i at antage, hvad der er nødvendigt for at en organisme kan trives, ikke bare overleve."

Undersøgelser, der udforsker forskellige saltopløsninger, koncentrationer, og temperaturer hjælper forskerne med at fokusere søgen efter liv, eller i det mindste ikke udelukke muligheder, såsom mikrobiel overlevelse i giftigt perklorat. Andre variabler påvirker søgen efter liv, såsom en bakteries evne til at modstå stråling eller ekstremt atmosfærisk tryk. Der kan endda være faktorer, vi ikke kender til endnu, men med hver undersøgelse, der er en høstak færre at søge efter.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.