Już w przyszłym roku w kierunku Marsa wystartuje skonstruowany przez Europejską Agencję Kosmiczną łazik-laboratorium noszący imię Rosalind Franklin, biolożki i chemiczki, której prace przyczyniły się do odkrycia struktury DNA. Imię ma nie tylko uhonorować badaczkę, ale przede wszystkim podkreślić cel misji.

A jest nim poszukiwanie śladów życia, które – w związku z tym, że niegdyś na powierzchni Marsa była woda, a planetę otaczała tarcza ochronna atmosfery – miało szansę się tam pojawić. Aby to sprawdzić, łazik został wyposażony w dwumetrowe wiertło do pobierania próbek oraz w szufladę laboratorium analitycznego i dziewięć instrumentów naukowych, mających szukać w wydrążonych skałach śladów istot żywych.

Jak się do tego zabrać? Do czego się odnieść, do jakich przykładów nawiązać i gdzie szukać? Tę zagadkę próbuje rozwiązać astrobiologia, zwana też egzobiologią.

W niesprzyjających warunkach mikroby chowają się w ochronnej otoczce

– Badamy ziemskie organizmy zdolne przeżyć w najbardziej ekstremalnych, nieprzychylnych życiu miejscach, by określić krytyczne parametry, w jakich może przetrwać życie – wyjaśnia oceanografka Ewa Borowska, doktorantka w Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych Uniwersytetu Warszawskiego, która bada organizmy żyjące w skrajnie trudnych warunkach obszarów wulkanicznych.

Erupcje wulkaniczne sprawiają, że do środowiska dostają się ogromne ilości CO2 i siarki, fluorowodorów i innych toksycznych związków. A jednak w wulkanicznej glebie i skałach można znaleźć mikroby: cyjanobakterie, bakterie i archeony oraz inne proste i bardzo pierwotne organizmy jak mikroglony z rzędu Cyanidiales. Co więcej, te mikroorganizmy funkcjonują wspólnie, tworząc specyficzne współzależności, dzięki którym każdy z nich zyskuje i jest w stanie przetrwać skrajne warunki.

– Proste organizmy są mistrzami świata w przetrwaniu. Potrafią wytworzyć metabolity i zabezpieczenia zdolne osłonić pojedyncze komórki tak, by toksyczne otoczenie nie zagroziło ich istnieniu. Dzięki temu mogą nie tylko egzystować, ale też się rozmnażać – wyjaśnia Ewa Borowska. I dodaje, że takie mikroorganizmy są również w stanie przemieszczać się wraz z prądami powietrznymi lub wodnymi na znaczne odległości pod postacią zarodników lub przetrwalników.

Analiza genetyczna glonów występujących przy źródłach geotermalnych na Islandii pokazała na przykład, że mają wspólny pień genetyczny z mikroglonami z tak odległych miejsc jak Kamczatka czy Japonia. – W Polsce termalne źródła występują np. w Uniejowie. To tam, dzięki uprzejmości Geotermii Uniejów, będziemy badać, jakie ekstremofile mogą występować u nas – dodaje Ewa Borowska.

Gdy na ekstremofile działa więcej niż jeden czynnik stresowy, nazywamy je poliekstremofilami. Są to zwykle archeony i bakterie zamieszkujące w skrajnych warunkach. Można je odnaleźć w wiecznej zmarzlinie, na głębokości kilku kilometrów pod ziemią czy przy podmorskich kominach hydrotermalnych. Niektóre żyją nawet w wodzie chłodzącej reaktory jądrowe.

Jak przetrwać bez wody? Niesporczaki wchodzą wtedy w stan kryptobiozy

– Mamy pewność, że w Układzie Słonecznym poza Ziemią nie ma rozwiniętego życia. Nie zaobserwowaliśmy zwierząt czy wytworów cywilizacji. Ale to jeszcze nie znaczy, że życie nie mogło się nigdzie pojawić w swojej pierwotnej postaci. Wiemy np., że zarówno na Księżycu, jak i na Marsie pod powierzchnią kryją się tunele lawowe, w których – przynajmniej na Marsie – może miejscami znajdować się woda w stanie ciekłym. Im więcej dowiemy się o ziemskich ekstremofilach, tym precyzyjniej będziemy wiedzieli, jakich śladów powinniśmy szukać poza Ziemią – mówi dr Natalia Zalewska, planetolożka z Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Z ekstremalnymi warunkami otoczenia radzą sobie nie tylko jednokomórkowe archeony, ale też całkiem złożone organizmy, czyli niesporczaki. – Te drobne zwierzęta są bardzo zaawansowane ewolucyjnie: posiadają układ pokarmowy, nerwowy, wydalniczy oraz mięśnie. Mają wiele wspólnego z dużo wyżej uorganizowanymi zwierzętami, takimi jak chociażby kręgowce – mówi prof. Łukasz Kaczmarek z Uniwersytetu Adama Mickiewicza.

Niesporczaki to bardzo maleńkie – bo mierzące od 0,01 do 1,2 mm – walcowate zwierzęta ze słabo wyodrębnioną głową i czterema parami odnóży zakończonych pazurkami lub przylgami. Znamy ich obecnie ok. 1,3 tys. gatunków. Zamieszkują ekosystemy słodko- i słonowodne oraz lądowe. Co tak bardzo fascynuje badaczy w tych maleńkich zwierzętach? Ich niebywałe zdolności przetrwania.

– Należy podkreślić, że aby niesporczaki mogły aktywnie żyć, potrzebują otoczki wodnej wokół ciała. Jednak gdy środowisko wysycha, nie umierają, lecz wchodzą w stan kryptobiozy, czyli spoczynku. W jego trakcie ich metabolizm zwalnia niemal do zera, a przynajmniej do poziomu niewykrywalnego przez współczesne urządzenia pomiarowe. W naszej pracowni utrzymywaliśmy niesporczaki w takim stanie nawet przez 240 dni, a mimo to po dodaniu wody niektóre gatunki wracały do pełnej aktywności w około pięć minut! To coś niewyobrażalnego. Niesporczaki w tym stanie zwanym anhydrobiozą mogą stracić nawet 95 procent wody z organizmu, a mimo to przetrwać i co więcej – nie zestarzeć się. Badania pokazały, że okres spędzony w anhydrobiozie niejako nie liczy się do wieku biologicznego zwierzęcia. To tak, jakby zasnąć w wieku 25 lat i obudzić się po stu latach mając ciało i zdolności fizyczne 25-latka. Coś jak podróż w czasie – wyjaśnia prof. Kaczmarek.

Niesporczaki to jedne z niewielu organizmów, które przetrwały ekspozycję na próżnię kosmiczną. W 2007 r. misja Foton M-3 Europejskiej Agencji Kosmicznej wyniosła na niską orbitę ziemską wprowadzone w stan kryptobiozy osobniki dwóch gatunków niesporczaków. Zwierzęta przez dziewięć dni krążyły wokół Ziemi na wysokości ok. 270 km nad powierzchnią, narażone na temperaturę od minus 180 do plus 100 stopni Celsjusza oraz wystawione na promieniowanie jonizujące. Po wykonaniu misji niesporczaki powróciły na Ziemię i zostały nawodnione.

Niesporczaki są odporne na wszystko. Z wyjątkiem soku z buraka

Okazało się, że wahania temperatury nie są im straszne – niesporczaki wróciły do życia. Nieco gorzej radzą sobie jednak z promieniowaniem słonecznym. Mimo to niektóre nie tylko przeżyły napromieniowanie ultrafioletem o skali przekraczającej tysiąckrotnie to występujące na Ziemi, ale w dodatku nie utraciły swoich zdolności rozrodczych.

Tak wysoka dawka promieniowania uszkodziłaby ludzkie DNA w sposób nieodwracalny, a jednak drobne niesporczaki poradziły sobie i były zdolne się zregenerować.

– Właśnie ta ich umiejętność regeneracji jest fascynująca. Jeżeli dowiemy się dokładnie, na czym polega, będziemy w stanie wykorzystać ją, by chronić astronautów w trakcie długich podróży międzyplanetarnych. Już kilka lat temu światło dzienne ujrzała praca japońskich badaczy, którzy doprowadzili do ekspresji białka niesporczaków w komórkach ludzkich. Oczywiście było to badanie przeprowadzone in vitro na ludzkich liniach komórkowych. Ale jego wynik i tak jest godny podziwu – dzięki białku niesporczaków ludzkie komórki zwiększyły swoją odporność na promieniowanie rentgenowskie aż o 40 procent – opowiada prof. Kaczmarek.

Czy w takim razie jest coś, co może zabić niesporczaki? Okazuje się, że zabójczy jest dla nich sok z buraków. Grupa badawcza prof. Kaczmarka chciała ułatwić sobie pracę i zabarwić normalnie przezroczyste lub mlecznobiałe niesporczaki, by łatwiej je znajdować. Umieścili więc żywe zwierzęta w wodzie z dodatkiem soku z buraków, co po kwadransie doprowadziło wszystkie niesporczaki do śmierci. Co ciekawe, równie śmiercionośny okazał się sok z marchewki.

Teraz prof. Kaczmarek ze swym zespołem sprawdza zdolność przeżywania niesporczaków w odpowiedniku gleby marsjańskiej, która zawiera duże ilości szkodliwych nadchloranów. Wiele lat wcześniej próbę przetestowania wytrzymałości niesporczaków na Fobosie, księżycu Marsa, próbowali przeprowadzić Rosjanie. Ich sonda się jednak rozbiła.

Kolonizując kosmos zabierzemy ze sobą ziemskie ekstremofile

Jeśli kiedyś wybierzemy się na Marsa, to będziemy musieli zabrać ze sobą ziemskie mikroorganizmy. Wiele poleci z nami niezamierzenie, bo niezależnie w jak sterylnych clean roomach składane są statki kosmiczne, w jak nowoczesnych i wydajnych komorach hartowane poszczególne elementy, pewna ilość mikrobów zawsze przetrwa.

Inne będziemy musieli wziąć sami, bo tylko dzięki nim będziemy mogli użyźnić glebę i zapewnić astronautom jedzenie oraz powietrze. Co więcej, będziemy musieli zabrać nie jeden rodzaj organizmów, ale cały zespół różnych współpracujących ze sobą bakterii, grzybów, glonów i porostów, a być może i drobnych zwierząt.

A badania nad ekstremofilami to nie tylko poszukiwanie granicznych możliwości przetrwania życia, ale także adaptacji tych organizmów, czyli możliwości dostosowania się do różnych warunków otoczenia. To również kierunek, jaki należy obrać, by dowiedzieć się, czy coś kryje się w regolicie Marsa, czy w chmurach Wenus miały szansę przetrwać proste organizmy oraz co się dzieje pod lodową powierzchnią Europy lub pod czapami polarnymi Ganimedesa.

Takie projekty dają okazję do dalszego rozwijania inżynierii genetycznej i materiałowej. Bo badania nad tak odpornymi organizmami i rozszyfrowanie ich tajemnic umożliwi nam tworzenie materiałów zdolnych chronić statki kosmiczne i samych astronautów przed niszczycielskim promieniowaniem kosmicznym, a nawet terapii dla osób zmagających się ze śmiertelnymi chorobami. W końcu ekstremofile pojawiły się na naszej planecie długo przed nami i zostaną na niej, gdy nas już nie będzie.