Arsen- og permafrostmikrober hjælper med at jage efter liv på Mars

At studere miljøer, der ligner Mars, og deres mikrobielle økosystemer kunne hjælpe med at forberede biologer til at identificere spor af liv i det ydre rum.

I nogle af de mest fjerntliggende områder på vores planet, forskere er ved at undersøge, hvordan liv kan bestå i form af bittesmå mikrober, der bebor en niche, der ville være dødelig for langt de fleste organismer på Jorden.

At leve af giftige stoffer som arsen, eller i iltfrie zoner, disse hårdføre mikrober omsætter mad og næringsstoffer på helt andre måder end de fleste planter, dyr og mennesker. Nogle bevæger sig og metaboliserer så langsomt, for eksempel, at forskerne indtil for nylig ikke engang anså dem for at være i live.

De barske miljøer, hvor de bor, ligner forhold, der findes på Mars og andre planeter, og ved at fremme vores forståelse af, hvordan disse mikrobielle samfund fungerer, rumgeobiologer vil være bedre rustet til at identificere tegn på udenjordisk liv.

Dr. Amedea Perfumo fra GFZ German Research Center for Geosciences leder det EU-finansierede BIOFROST-projekt, som undersøger, hvordan organismer overlever i den dybe biosfære af Jordens permafrost, hvor temperaturen er minusgrader og der mangler ilt.

'Disse iltfattige og frosne forhold er yderst relevante for udforskning af rummet. Det er en analog til Mars, ' hun sagde. 'Det handler om at finde ud af, hvad grænserne for liv på Jorden er under de betingelser, der ligner rummet mest, og se, om vi kan få en bedre fortolkning af, hvad der kan komme ud af en rummission.'

BIOFROST fokuserede på at opbygge en såkaldt on-filter analytisk pipeline, hvor information om levende bakterier, som hvor mange der er af hvilken type, hvor aktive de er, og hvordan de interagerer med hinanden, udvindes fra permafrostsedimentet og opsamles på et specielt guld-platinbelagt filter.

'Jeg understøttes af nogle af de mest forreste teknikker, som omfatter NanoSIMS og nanospektroskopi, og jeg håber, i særdeleshed, at give videnskabelig dokumentation for en celles grundlæggende funktion under sådanne ekstreme forhold, og hvordan dette påvirker permafrostens økosystemfunktion, sagde Dr. Perfumo.

Tilpasninger

Permafrostmikroorganismerne, der undersøges af Dr. Perfumo, har udviklet unikke tilpasninger til deres frysning, iltfrie zoner. Deres stofskifte er så langsomt, for eksempel, at det først er for nylig, at teknologien er blevet sofistikeret nok til at opdage, at organismerne overhovedet er i live.

Økologisk tilpasning kan have en pris, imidlertid. Fordi de har udviklet sig til at passe så perfekt ind i deres niche, enhver form for temperaturændring kan betyde problemer for organismerne. I tidligere forsøg, Dr. Perfumo fandt ud af, at når varmen kun blev skruet op med 5 grader celsius, bakterierne døde.

Dette viser en meget lav tolerance for ændringer i miljøforhold, i modsætning til mange andre slags bakterier. De forskellige bakteriearter, som vi har tendens til at finde ved stuetemperaturer, for eksempel, behov for at kunne overleve svingende vejrforhold, der henviser til, at dybe permafrostbakterier generelt er garanteret at leve konstant, selvom det er meget koldt, temperaturer.

Arsenik

Højt oppe i de andinske søer i Argentina, forskere udforsker en anden såkaldt ekstremofil organisme-bakterier, der overlever i høje koncentrationer af arsen. Verdenssundhedsorganisationen anbefaler, at drikkevand ikke må have mere end 10 mikrogram arsen pr. men disse søer indeholder fire eller fem størrelsesordener mere.

Forholdene efterligner faktisk livet på den forhistoriske Jord. 'Når du er der, det er som om du er på Jorden for 3500 millioner år siden, siger Dr. Maria Sancho-Tomas fra Institut de Physique du Globe de Paris, Frankrig, der leder ASLIFE -projektet for at undersøge bakterierne. 'Det er fantastisk. Hvis man ser på landskabet, det er ligesom Mars.'

På forhistorisk jord, organismer skulle udvikle strategier for enten at bekæmpe eller tilpasse sig arsen. Mikrober som dem, der studeres af Dr. Sancho-Tomas, brugte arsen i deres stofskiftesystemer, omdanne mineralet til energi, i en proces ikke ulig den måde, mennesker nedbryder mad på.

ASLIFE -forskerne analyserer jordkerner ved at bore et hul i jorden og udtrække en cylinder med materiale for at tage tilbage til laboratoriet for yderligere analyse. Ifølge Dr. Sancho-Tomas, de dele af sedimentet fra søerne, der indeholder arsen, kan tydeligt ses – de er lilla, da arsenet interagerer med svovl.

Holdet tager også afskrabninger fra stromatolitter, ældgamle organiske strukturer, der kan være milliarder af år gamle og er skabt af mikroorganismer. Prøverne tages derefter til synkrotronanlæg på SOLEIL-fabrikken nær Paris, Frankrig, for at få et nærmere kig på disse organismers indre funktion.

Ideen er at fastslå, om visse arsenvarianter – eller isotoper – kan bruges som biosignaturer – kemiske indikatorer på, at liv er, eller var, til stede. Hvis så, rumforskere kunne lede efter de samme signaturer på andre planeter og udlede, at der eksisterede liv der, selvom mikroorganismerne selv forbliver uhåndgribelige.

I processen, forskerne kommer også med nye måder at transportere og undersøge disse mikrober på, hvoraf prøver kan forringes på grund af faktorer som temperatur- og trykændringer. Astrobiologer vil være i stand til at bruge disse metoder til at sikre, at alle fundne udenjordiske prøver vil blive transporteret tilbage til Jorden uskadt.

Tættere på hjemmet

Imidlertid, at lære mere om ekstremofile har også praktiske anvendelser tættere på hjemmet. Dr. Perfumo arbejder på at tilpasse enzymer og molekyler med glatte overflader, kendt som biooverfladeaktive stoffer, fra disse kulde-elskende bakterier til at sænke de temperaturer, der er nødvendige for mange kommercielle og industrielle aktiviteter, hvilket vil være til gavn for miljøet.

Dr. Sancho-Tomas og hendes kolleger laver et kort i høj opløsning over fordelingen af ​​de arsen-elskende bakterier i Andesbjergene. Disse oplysninger kan derefter bruges til at bestemme arsen-forurenede områder rundt om i verden, for eksempel i Vietnam og Indien.

Hvad mere er, de bakterier, de undersøger, kan med tiden bruges som bioremediatorer – dvs. naturlige mikroorganismer, der fjerner miljøforurenende stoffer fra et sted. Yderligere genetisk analyse af de arsenforbrugende bakterier vil være nødvendig, før de relevante enzymer kan identificeres hertil.