Πώς τα μεθανογόνα θα μπορούσαν να επιβιώσουν στον Άρη παρά τις χαμηλές θερμοκρασίες
Ο Άρης συνήθως θεωρείται πολύ κρύος και ξηρός για να φιλοξενήσει τυχόν υφιστάμενες μορφές ζωής. Ωστόσο, στη Γη, μικροοργανισμοί όπως τα βακτήρια βρίσκονται στα πιο ακραία περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένου του υφάσματος πάγου της Ανταρκτικής και στην έρημο Ατακάμα.
Οι συνεχιζόμενες ανακαλύψεις νερού σε διάφορες μορφές πάνω και κάτω από την επιφάνεια του Άρη, που κυμαίνονται από πάγο κάτω από την επιφάνεια έως αρωματικά υγρά που δημιουργούν σκοτεινές λωρίδες στις πλευρές των τοιχωμάτων του κρατήρα, υποδηλώνουν ότι το νερό είναι πιο άφθονο στον πλανήτη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Εάν το νερό είναι διαθέσιμο σε μικροοργανισμούς στο υπέδαφος του Άρη, αυτή η περιοχή θα αποτελούσε το πιο κατοικήσιμο περιβάλλον, καθώς ο υπερκείμενος ρεγόλιθος θα προστατεύει επίσης τυχόν βακτήρια από την σκληρή ιονίζουσα ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια. Ο ρεγόλιθος μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως μονωτής και να χρησιμεύσει για να μετριάσει τις μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, συχνά πάνω από 100 μοίρες σε μια αρειανή ημέρα, που παρατηρούνται στην επιφάνεια.
Επομένως, όταν εξετάζουμε κατοικήσιμα περιβάλλοντα στον Άρη, το υπόγειο, όπου υπάρχει η δυνατότητα για ταμιευτήρες υγρού νερού, καθώς και η προσφορά προστασίας από τις σκληρές θερμοκρασίες και την επιβλαβή ακτινοβολία στην επιφάνεια είναι πολύ φιλόξενα.
Οι πολλαπλές ανακαλύψεις μεθανίου στην ατμόσφαιρα του Άρη, πιο πρόσφατα η εποχιακή παραλλαγή που ανιχνεύθηκε από το Mars Science Laboratory στο ρόβερ Curiosity, υποδηλώνουν ότι τα μεθανογόνα μπορεί να είναι μια πιθανή μορφή ζωής που υπάρχει στο υπέδαφος του Άρη. Τα μεθανογόνα είναι μικροοργανισμοί από τον τομέα Archaea που παράγουν μεθάνιο από μια ποικιλία υποστρωμάτων. Ορισμένα είδη μεθανογόνου μπορούν να δημιουργήσουν μεθάνιο από διοξείδιο του άνθρακα (CO2 ) και υδρογόνο (H2 ), την οποία χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα και πηγή ενέργειας, αντίστοιχα.
Στη Γη, τα μεθανογόνα είναι οι μόνοι μικροοργανισμοί που είναι γνωστό ότι παράγουν μεθάνιο ως αποτέλεσμα του μεταβολισμού τους και είναι υπεύθυνοι για το μεγαλύτερο μέρος του μεθανίου στην ατμόσφαιρα της Γης. Ως εκ τούτου, μια εποχιακή διακύμανση στην ποσότητα μεθανίου που ανιχνεύεται στον Άρη θα μπορούσε να είναι ενδεικτική ενός εποχιακού κύκλου κατάψυξης/απόψυξης όπου μια μεθανογόνος κοινότητα αδρανεί κατά τις πιο κρύες περιόδους του έτους και ο μεταβολισμός αναβιώνει όταν οι συνθήκες είναι πιο κατοικήσιμες.
Το Kral Lab στο Κέντρο Διαστημικής και Πλανητικής Επιστήμης του Αρκάνσας στο Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας μελετά τα μεθανογόνα ως μοντέλα για τη ζωή στον Άρη για περισσότερα από είκοσι χρόνια. Εκτός από πιθανή πηγή μεθανίου στην ατμόσφαιρα του Άρη, τα μεθανογόνα δεν απαιτούν επίσης οργανικά θρεπτικά συστατικά, τα οποία είναι σπάνια στον Άρη και είναι μη φωτοσυνθετικά, γεγονός που δείχνει ότι μπορούν να υπάρχουν σε υπόγεια περιβάλλοντα.
Τα τέσσερα είδη μεθανογόνων που μελετήθηκαν στο εργαστήριο Kral, Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicicum , Methanothermobacter wolfeii και Methanococcus maripaludis , είναι όλα ικανά να χρησιμοποιούν υδρογόνο ως πηγή ενέργειας και διοξείδιο του άνθρακα ως πηγή άνθρακα. Αν και το υδρογόνο δεν έχει εντοπιστεί στην ατμόσφαιρα του Άρη, υποτίθεται ότι υπάρχει στο υπέδαφος και ενσωματώνεται σε μια σειρά μοντέλων ατμοσφαιρικών αρειανών. Από την άλλη πλευρά, η ατμόσφαιρα του Άρη είναι 95% διοξείδιο του άνθρακα, προσφέροντας μια άφθονη δεξαμενή για τυχόν πιθανά μεθανογόνα στον πλανήτη.
Παρά το γεγονός ότι ο ρεγόλιθος ενεργεί ως πιθανός μονωτής για την υπόγεια ζωή, οι μικροοργανισμοί που ζουν στο έδαφος του Άρη θα εξακολουθούν να υπόκεινται σε μεγάλες αλλαγές στη θερμοκρασία. Την πιο ζεστή μέρα του χρόνου, οι θερμοκρασίες μπορεί να φτάσουν έως και τους 22 ºC (περίπου θερμοκρασία δωματίου στη Γη) το μεσημέρι. Ωστόσο, τη νύχτα, οι θερμοκρασίες μπορεί να φτάσουν έως τους -100 ºC ή και κάτω. Παρά το γεγονός ότι δεν είναι ψυχρόφιλοι (μικροοργανισμοί που αγαπούν το κρύο), τα τέσσερα είδη μεθανογόνων που μελετήθηκαν στο εργαστήριο Kral έχουν υποβληθεί σε πειράματα ανάπτυξης και επιβίωσης που καλύπτουν διάφορες αρειανές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης ρεγολίθου, της συγκέντρωσης αλατιού, της χαμηλής πίεσης και της υπεριώδους ακτινοβολίας. Μεσοφιλικά μεθανογόνα όπως M. barkeri έχουν επίσης ανιχνευθεί σε αρκτικά περιβάλλοντα στη Γη, υποδηλώνοντας ότι αυτά τα τέσσερα μεθανογόνα μπορεί να είναι ικανά να επιβιώσουν μετά από έκθεση σε θερμοκρασίες που θυμίζουν αυτές του Άρη.
Στο βιβλίο «Επιβίωση μη ψυχροφιλικών μεθανογόνων που εκτίθενται σε κύκλους ημερήσιας θερμοκρασίας του Άρη και 48 ωρών», ο Mickol και οι συνεργάτες του εξέθεσαν τέσσερα μεθανογόνα (M. barkeri , Μ. foricicum , Μ. wolfeii , και Μ. maripaludis ) σε 24 ώρες και 48 ώρες η θερμοκρασία αλλάζει μεταξύ 22 ºC και -80 ºC. Στο πείραμα των 24 ωρών, οι καλλιέργειες μεθανογόνου δοκιμάστηκαν αρχικά για παραγωγή μεθανίου, καθώς και για οπτική πυκνότητα, που και οι δύο χρησιμοποιήθηκαν ως υποδοχείς ανάπτυξης. Στη συνέχεια, οι καλλιέργειες εκτέθηκαν σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν μεταξύ 22 ºC και -80 ºC για 10 ημέρες, ενώ η οπτική πυκνότητα συνεχίστηκε να παρακολουθείται. Τέλος, μετά από 10 ημέρες έκθεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι καλλιέργειες μεθανογόνου επανατοποθετήθηκαν στις βέλτιστες θερμοκρασίες ανάπτυξής τους για 13 ημέρες όπου μετρήθηκαν ξανά τόσο η οπτική πυκνότητα όσο και η παραγωγή μεθανίου για να προσδιοριστεί εάν τα μεθανογόνα ήταν ικανά να επιβιώσουν από την έκθεση στις θερμοκρασίες κατάψυξης. Το πείραμα των 48 ωρών διεξήχθη παρομοίως, ωστόσο, η περίοδος έκθεσης ήταν 12 ημέρες και η περίοδος επώασης μετά την έκθεση ήταν 10 ημέρες. Οι αυξήσεις τόσο στην οπτική πυκνότητα όσο και στην παραγωγή μεθανίου δείχνουν ότι οι μεθανογενείς καλλιέργειες είναι ενεργές και αναπτύσσονται.
Και στα δύο πειράματα 24 ωρών και 48 ωρών, M. wolfeii Οι καλλιέργειες αυξήθηκαν τόσο στην οπτική πυκνότητα όσο και στην αφθονία μεθανίου μετά την έκθεση στον κύκλο κατάψυξης/απόψυξης. Πολιτισμοί του M. foricicum έδειξε αυξημένη παραγωγή μεθανίου μετά από έκθεση σε θερμοκρασίες κατάψυξης και στα δύο πειράματα, ωστόσο, η οπτική πυκνότητα μειώθηκε καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου επώασης μετά την έκθεση. Για τον Μ. barkeri , ορισμένες καλλιέργειες αυξήθηκαν στην παραγωγή μεθανίου, ενώ άλλες καλλιέργειες μειώθηκαν, αν και κατά μέσο όρο, υπήρξε μια ελαφρά αύξηση στην αφθονία μεθανίου μετά την έκθεση. Οι καλλιέργειες έδειξαν επίσης μεγάλη διακύμανση στην οπτική πυκνότητα, αλλά η μέση οπτική πυκνότητα επίσης αυξήθηκε ελαφρώς για καλλιέργειες M. barkeri στο πείραμα 24 ωρών. Δυστυχώς, η επίδραση του κύκλου κατάψυξης/απόψυξης σε καλλιέργειες M. maripaludis παραμένει άγνωστη λόγω της ρήξης των δοκιμαστικών σωλήνων κατά την περίοδο έκθεσης.
Συνολικά, παρά τα ποικίλα αποτελέσματα μεταξύ των πολλαπλών καλλιεργειών κάθε είδους, η έκθεση στον κύκλο κατάψυξης/απόψυξης μπορεί να μην είναι απαραιτήτως θανατηφόρα για τα μη ψυχρόφιλα μεθανογόνα. Είναι ενδιαφέρον ότι το μεθανογόνο που έδειξε τις μεγαλύτερες αυξήσεις τόσο στην αφθονία του μεθανίου όσο και στην οπτική πυκνότητα ταξινομείται ως θερμόφιλο και αναπτύσσεται καλύτερα στους 55 ºC (131 ºF). Μεθανοσαρκίνη Τα είδη σχηματίζουν τυπικά πολυκύτταρα συσσωματώματα και αυτό μπορεί να χρησιμεύσει για την προστασία των κυττάρων από ακραίες συνθήκες. Methanothermobacter wolfeii και Μ. foricicum είναι και τα δύο μέλη της μεθανογονικής τάξης Methanobacteriale, η οποία έχει επίσης ανιχνευθεί σταθερά σε κοινότητες μόνιμου παγετού, αν και σε χαμηλά επίπεδα.
Τελικά, τα αποτελέσματα από αυτά τα πειράματα υποδηλώνουν ότι οι χαμηλές θερμοκρασίες στον Άρη μπορεί να μην είναι ανασταλτικές για την πιθανότητα ύπαρξης ζωής στον πλανήτη, ειδικά στο υπέδαφος. Περαιτέρω πειράματα που εκθέτουν μικροοργανισμούς σε ακραίες θερμοκρασίες στον Άρη είναι δικαιολογημένα, χρησιμοποιώντας μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα καθώς και ψυχόφιλα είδη.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Επιβίωση μη ψυχροφιλικών μεθανογόνων που εκτίθενται σε κύκλους ημερήσιων και 48 ωρών στον Άρη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Planetary and Space Science. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον R.L. Mickol από το Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας και την American Society for Engineering Education, Y.A. Takagi από το Oberlin College και T.A. Kral από το Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας.
Αναφορά:
- Mickol, R. L., Y. A. Takagi και T. A. Kral. (2018) Επιβίωση μη ψυχροφιλικών μεθανογόνων που εκτίθενται σε ημερήσιους και 48ωρους κύκλους θερμοκρασίας του Άρη. Πλανητική και Διαστημική Επιστήμη 157, 63-71. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0032063317305019
