Survival of yeast spores in hypervelocity impact events up to velocities of 7.4kms−1 // Icarus (January 2013), 222 (1), pg. 263-272
Abstract
We report on the survivability in hypervelocity impacts of yeast in spore form, and as mature cultures, at impact velocities from 1 to 7.4kms
−1, corresponding to an estimated peak shock pressure of ∼43GPa. Spores from a yeast strain (BY4743), deficient in an enzyme required for uracil production, were fired into water (to simulate oceanic impact from space) using a light gas gun. The water was then retrieved and filtered and the resulting retentate and filtrate cultured to determine viability and survival rates of remnant spores. Yeast growth (confirmed as coming from the original sample as it had the same enzyme deficiency) was found in recovered samples at all impact speeds, albeit in smaller quantities at the higher speeds. The survival probabilities were measured as ∼50% at 1kms
−1, falling to ∼10
−3% at 7.4kms
−1. This follows the pattern observed in previous work on survival of microbial life and spores exposed to extreme shock loading, where there is reasonable survival at low peak shock pressures with more severe lethality above a critical shock pressure at the GPa scale (here between 2 and 10GPa). These results are explained in the context of a general model for survival against extreme shock and are relevant to the hypotheses of panspermia and litho-panspermia, showing that extreme shocks during transfer across space are not necessarily sterilising.
Bacterial spores in granite survive hypervelocity launch by spallation: implications for lithopanspermia. // Astrobiology 9(7):647-57 (2009)
Abstract
Bacterial spores are considered good candidates for endolithic life-forms that could survive interplanetary transport by natural impact processes, i.e., lithopanspermia. Organisms within rock can only embark on an interplanetary journey if they survive ejection from the surface of the donor planet and the associated extremes of compressional shock, heating, and acceleration. Previous simulation experiments have measured each of these three stresses more or less in isolation of one another, and results to date indicate that spores of the model organism Bacillus subtilis can survive each stress applied singly. Few simulations, however, have combined all three stresses simultaneously. Because considerable experimental and theoretical evidence supports a spallation mechanism for launch, we devised an experimental simulation of launch by spallation using the Ames Vertical Gun Range (AVGR). B. subtilis spores were applied to the surface of a granite target that was impacted from above by an aluminum projectile fired at 5.4 km/s. Granite spall fragments were captured in a foam recovery fixture and then recovered and assayed for shock damage by transmission electron microscopy and for spore survival by viability assays. Peak shock pressure at the impact site was calculated to be 57.1 GPa, though recovered spall fragments were only very lightly shocked at pressures of 5-7 GPa. Spore survival was calculated to be on the order of 10
-5, which is in agreement with results of previous static compressional shock experiments. These results demonstrate that endolithic spores can survive launch by spallation from a hypervelocity impact, which lends further evidence in favor of lithopanspermia theory.
Микроорганизмы в космическом вакууме.На самом деле более правильно, конечно, было бы говорить не просто о вакуумных, а об экстремальных тепловакуумных условиях, поскольку любое тело, помещенное в вакуум, характеризуется определенными температурами. К сожалению, это обстоятельство иногда игнорируется, и многие микробиологи, проводившие эксперименты с микроорганизмами в вакууме (в том числе и в космическом вакууме при полетах космических аппаратов), часто даже не сообщают о температурах биологических объектов. Последнее порою затрудняет интерпретацию результатов подобных экспериментов и вносит некоторую рассогласованность.
Итак, до начала космической эры микробиологи, как правило, изучали поведение микроорганизмов только при нормальном атмосферном давлении окружающей среды, но при воздействии разнообразных факторов (температуры, облучения и т. д.). Исключением здесь являются так называемые процессы лиофилизации микроорганизмов, т. е. их высушивания при пониженных температурах и давлениях окружающей среды.
То, что поведение микроорганизмов в вакууме ранее практически не изучалось, весьма удивительно, поскольку еще в начале XX в. известный шведский ученый С. Аррениус сделал попытку научно обосновать теорию панспермии (теперь ее называют теорией радиопанспермии, чтобы отличить от других разновидностей: литопанспермии, направленной и обратно направленной панспермии). По мнению С. Аррениуса, споры микроорганизмов, перемещаясь в космическом вакууме давлением солнечного света (незадолго до этого русский физик П. Н. Лебедев экспериментально обнаружил этот эффект), могли попасть на Землю и тем самым положить начало зарождению жизни на ней.
Надо сказать, что еще до С. Аррениуса идеи радиопанспермии высказывал в конце XIX в. немецкий ученый Г. Рихтер. Возрождение этой теории в наше время, так сказать, на современной основе было сделано английскими астрофизиками Ф. Хойлом и Ч. Викрамасинком. Однако только с началом космической эры началось интенсивное изучение микроорганизмов в условиях высокого вакуума. И вызвано это было в первую очередь практической необходимостью, связанной с требованием стерилизации космических аппаратов, посылаемых на другие небесные объекты...
...Однако воздействие экстремальных тепловакуумных условий на микроорганизмы имеет свою специфику. Так, анализ результатов различных экспериментов с микроорганизмами и спорами в вакууме, проведенный автором брошюры совместно с С. В. Лысенко, показал, что выживаемость (или повреждение) микроорганизмов определяется заданным температурным режимом. При этом обнаружилось, что значительный диапазон температур – от криогенных до умеренно высоких значений (около 400 К) – подразделяется на три отчетливые области, специфические по своему воздействию на микроорганизмы и их выживание.
Так, например, при воздействии температур первой из этих областей (от криогенных до комнатных значений) наблюдается практически 100%-ная выживаемость микроорганизмов и спор; при воздействии температур второй области (от комнатных до несколько повышенных значений) выживаемость всех видов микроорганизмов и спор падает с одинаковой скоростью; при воздействии температур третьей области выживаемость микроорганизмов и спор катастрофически падает практически до нуля.
Что же происходит с микроорганизмами и спорами при значениях температуры из второй области и, самое главное, когда значения температуры приближаются к третьей области? Чем объяснить массовую гибель микроорганизмов и спор при значениях температур из третьей области?
Исследования показали, что при увеличении температуры с неизбежностью начинает постепенно повышаться внутриклеточное и внутриспоровое давление, и это обусловливает механическое повреждение цитоплазматической мембраны, являющееся причиной снижения выживаемости рассматриваемых живых организмов. Повышение внутриклеточного и внутриспорового давления, видимо, вызвано тем, что при увеличении температуры возрастает давление насыщенных паров внутриклеточной жидкой воды.
Как уже говорилось ранее, вегетативная клетка микроорганизмов содержит жидкой воды до 80%, а спора (это наиболее сухая ячейка жизни) – 25–40%. Полное же удаление всей внутриклеточной (или внутриспоровой) свободной воды приводит к умерщвлению (инактивации) как вегетативных клеток микроорганизмов, так и спор. Итак, возрастание давления насыщения паров этой воды при увеличении температуры вполне могло объяснять повышение внутриклеточного (или внутриспорового) давления. И действительно, расчеты показывают, что количество теплоты для внутриклеточных процессов как раз соответствует теплоте испарения воды.
Если повышение температуры прервать при достижении некоторого значения температуры из второй области, а затем испытуемый живой организм (клетку или спору) перенести на богатую питательную среду, то через некоторое время он вновь может «ожить». Однако при некотором критическом значении температуры организм окончательно погибает, как и при более высоких значениях температуры (из третьей области). Надо сказать, что границы второй области (как начальные, так и конечные значения) вполне индивидуальны для каждого конкретного вида организма, и поэтому они с некоторой неопределенностью указывались ранее при определении трех критических областей температур для жизнедеятельности микроорганизмов в условиях вакуума.
Изучение погибших микроорганизмов и спор под микроскопом показало, что при значениях температур из третьей области в цитоплазматической мембране вначале появляются дырки и трещины, а потом происходит и полное разрушение мембраны. На последней странице обложки приведены изображения клеток гриба Эндомицес магнузия, находившихся в тепловакуумных условиях (давление порядка 10
–4 Па, температура около 295 К, или около 20°С) в течение 5 мин (левая колонка), 10 мин (низ правой колонки) и 15 мин (изображение вверху справа). На некоторых изображениях отчетливо видны выбросы вещества через дефекты мембраны в вакуумное пространство.
Следует заметить, что при этом выбрасываются не только пары внутриклеточной воды, а также и внутриклеточное вещество (поэтому такую клетку, естественно, уже ничем нельзя «оживить»). А при достаточно высоких значениях температуры клетка попросту взрывается под напором внутриклеточного давления. В общем же случае нарушение целостности клеточной мембраны соответствует потере способности клетки к осмотическому действию: с приобретением этой способности доклеточное состояние становится «живым», а с его потерей живая клетка погибает.
Такое заключение на первый взгляд может показаться странным. Осмотическое действие обычно ассоциировалось со способностью воды проходить сквозь клеточную мембрану. Однако обыденный опыт (скажем, кипение воды в чайнике), казалось бы, говорит об обратном: воде в парообразном состоянии легче покидать нагретый сосуд, чем воде в жидком состоянии. При нагревании живой клетки вода в парообразном состоянии также, казалось бы, должна быстро проходить сквозь микропоры в мембране, и поэтому давление насыщенных паров не может сильно увеличиваться (вплоть до разрушения мембраны). Почему же опыт с живыми клетками свидетельствует об обратном?
Дело в том, что на самом деле молекулы пара воды, в отличие от молекул жидкой воды, не могут быстро проходить очень узкие микропоры в клеточной мембране. Вплоть до температур 395 – 450 К (120 – 180°С) вода испаряется большими порциями (кластерами), содержащими десятки и сотни молекул. Эти кластеры не в состоянии проникнуть в микропоры, через которые свободно проходят одиночные молекулы жидкой воды, а также молекулы других газов.
Кстати, на этом свойстве живой клетки основан процесс ее осушки при очень низких температурах (и давлениях) – так называемый процесс лиофилизации. Отсутствие интенсивного процесса парообразования не приводит к повышению внутриклеточного давления и повреждению клеточной мембраны. Поэтому процесс лиофилизации успешно используется в лабораторной медицинской и биологической практике.
Итак, живая клетка с термодинамической точки зрения представляет собой закрытую систему для паров воды и открытую для других газов и жидкой воды. Процесс испарения повышает внутриклеточное давление, что в конечном итоге приводит к повреждению мембраны и появлению на ней трещин и дырок, через которые в окружающее пространство устремляется внутриклеточное вещество вместе с парами воды. Таким образом, главнейшим атрибутом жизни является наличие воды в жидком состоянии, и жизнь возможна только там, где соответствующие термодинамические условия (температура и давление) обеспечивают существование воды в жидком состоянии.
При низких давлениях, а тем более в вакууме испарение воды начинается при достаточно низких температурах. При нормальном атмосферном давлении температура кипения (испарения) воды составляет 100°С (373 К), при более высоких давлениях вода закипает и при более высоких температурах. Кстати, этим и объясняется феномен высокотемпературных организмов на океанском дне – там очень велико гидростатическое давление.
Следует отметить, что гидростатическое давление на дне океана благодаря быстрой диффузии молекул жидкой воды через клеточную мембрану практически мгновенно уравновешивается с внутриклеточным (осмотическим) давлением. Вследствие этого нежная и хрупкая мембрана микроорганизма или его споры не претерпевает механического разрушения и способна функционировать при очень больших гидростатических давлениях окружающей жидкой воды (даже в 100 – 1000 раз превышающих нормальное атмосферное давление).
Границы биосферы и жизнь на других мирах.То обстоятельство, что существование жизни обусловливается возможностью воды пребывать в жидком состоянии, приводит к вполне определенной оценке абсолютного температурного предела для жизнедеятельности организмов. Действительно, в качестве такого предела можно принять критическую температуру жидкой воды, равную около 730 К (около 460°С). При этом значении температуры (и конечно, и при более высоких значениях) вода при любом давлении не в состоянии перейти из газообразного состояния в жидкое.
Кроме того, как было показано в предыдущем разделе, температурный предел для жизнедеятельности организмов существует и при более низких давлениях, вплоть до самого высокого вакуума. Например, исследования показали, что даже в космическом вакууме нагрев до температуры порядка 400 К (около 120°С) катастрофически воздействует на любой живой организм. Наличие же температурного предела жизни неразрывно связано с такими проблемами, как определение границ биосферы, возможность жизни на других мирах и реальность (вернее, невозможность) радиопанспермии.
Понятие биосферы впервые было введено в научный обиход академиком В. И. Вернадским и в принципе означает сферический слой вблизи поверхности Земли, где еще возможно существование жизни. Однако, хотя вопросы, связанные с земной биосферой, уже давно обсуждаются в научной литературе, тем не менее все еще остается открытым вопрос о конкретных верхней и нижней границах биосферы. С другой стороны, наличие температурного предела жизнедеятельности организмов четко устанавливает по крайней мере теоретические пределы этих границ.
Действительно, расчеты показывают, что верхняя граница биосферы Земли должна пролегать в стратосфере, где-то на высотах менее 100 км от земной поверхности. Именно здесь все попавшие сюда (с поверхности Земли или из космоса) живые организмы нагреваются в прямых лучах Солнца до температуры порядка 400 К (около 120°С) в условиях космического вакуума. Как мы знаем, живые клетки в этих условиях попросту взрываются под действием внутриклеточного давления. Руководствуясь результатами ракетных экспериментов, С. В. Лысенко указывает более конкретную границу «биосферы Земли – около 85 км над земной поверхностью.
Что же касается нижней границы биосферы, то согласно расчетам она должна проходить на глубине около 25 км под поверхностью Земли. С увеличением глубины быстро возрастает литостатическое давление, и именно на глубине около 25 км достигается критическая температура для жидкой воды. Как известно, в районе Кольского полуострова производится сейчас сверхглубокое бурение, и там уже достигнута глубина около 12 км, где температура оказалась равной около 470 К (около 200°С). Надо сказать, что на глубине около 10,5 км здесь были открыты источники горячей жидкой минеральной воды.
При сверхглубоком бурении на Кольском полуострове еще не проводилось специальных микробиологических исследований, хотя микробиологические останки и были обнаружены на глубинах около 7 км. Однако живые микроорганизмы доподлинно были выявлены в других буровых скважинах вплоть до глубины 4 км.
Проблему существования жизни на других мирах можно также связать с проблемой существования воды в жидком состоянии. Так, например, никакой жизни не может быть на поверхности Венеры, где температура превышает критическое значение для жидкой воды, но жизнь вполне допустима даже на Титане, спутнике Сатурна. Как ни странно, используемый критерий не противоречит даже возможному существованию живых организмов в межзвездном пространстве вдали от звезд.
В 1985 г. в журнале «Нейчур» появилась статья нидерландских ученых Б. Вебера и Дж. Гринберга, которая называлась «Смогут ли споры выжить в межзвездной среде?». Естественно, в своей статье ученые отвечают на этот вопрос положительно. Еще далее пошли Ф. Хойл и Ч. Викрамасик, которые сделали неожиданное предположение, что часть межзвездных пылинок на самом деле представляет собой бактерии, вирусы и даже водоросли (!). Вообще-то говоря, характерные для межзвездной среды тепловакуумные условия не противоречат выживанию живых организмов в космическом вакууме межзвездного пространства, поскольку температура вдали от звезд достаточно для этого низкая.
Правда, надо сказать, что все эти научные спекуляции имеют определенную цель – возродить идеи радиопанспермии. На состоявшемся недавно в Москве XXXIV Всемирном геологическом конгрессе Дж. Гринберг продемонстрировал результаты своих экспериментов, в ходе которых моделировались условия межзвездной среды. Полученные результаты якобы свидетельствуют о том, что в этих условиях микроорганизмы и споры могли сохранять свою жизнеспособность в течение нескольких сотен тысяч и даже миллионов лет, когда под действием давления излучения (света звезды) они мигрируют от одной звездной системы в другую. Нидерландский ученый предусмотрел также то обстоятельство, что от воздействия жесткой радиации спору могло бы спасти ее ледяное покрытие (температуры в межзвездном пространстве очень низки).
Однако все эти попытки возродить идеи радиопанспермии и объяснить ими происхождение жизни на Земле совершенно несостоятельны, поскольку в них полностью игнорируются локальные воздействия тепловакуумных условий вблизи звезд (планет). Вопрос, поставленный в заголовок статьи Б. Вебера и Дж. Гринберга, на самом деле является беспредметным, поскольку тут же возникают другие вопросы: «Смогут ли споры попасть в межзвездную среду живыми?» и «Смогут ли споры из межзвездного пространства живыми попасть на поверхность Земли?».
Сам читатель, основываясь на положениях, изложенных в этой брошюре, сможет ответить на оба этих вопроса отрицательно. Действительно, никакие живые организмы не смогут проникнуть за пределы биосферы и не в состоянии выжить в условиях космического вакуума при высоких температурах прямого солнечного излучения в окрестностях Земли. Кстати, космический вакуум играет роковую роль и в судьбе «ледяного панциря» спор, вызывая быструю сублимацию льда и обнажая спору перед губительными потоками жесткой радиации...
М. Д. Нусинов Космический вакуум и надежность космической техники. – М.: Знание, 1986. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 6).
Голосование