Niedawno przeprowadzone eksperymenty wykazały, że cyjanobakterie mogą z powodzeniem rozwijać się w marsjańskich warunkach wytwarzając przy tym tlen. Hodowla sinic oparta o składniki znajdujące się na Czerwonej Planecie otwiera drogę w kierunku biologicznych systemów podtrzymywania życia dla ewentualnych ludzkich siedlisk na Marsie.
NASA i inne wiodące agencje kosmiczne oraz firmy prywatne, takie jak SpaceX, już od jakiegoś czasu wspominają o załogowych lotach na Marsa. Astronauci na Czerwonej Planecie będą potrzebować tlenu, wody, pożywienia i innych materiałów eksploatacyjnych. Importowanie ich z Ziemi na dłuższą metę będzie niepraktyczne i kosztowne, dlatego najlepiej, jakby były wytwarzane na Marsie.
W piśmie „Frontiers in Microbiology” naukowcy pokazali, że cyjanobakterie z rodzaju Anabaena można hodować wyłącznie przy użyciu składników obecnych na Marsie i pod niskim ciśnieniem. To duży krok w kierunku opracowania skutecznych systemów podtrzymywania życia dla ewentualnych ludzkich kolonii na Marsie. Podczas eksperymentów badaczom udało się wyhodować sinice w warunkach zbliżonych do tych panujących na Czerwonej Planecie.
- W naszej pracy pokazujemy, że cyjanobakterie mogą wykorzystywać gazy dostępne w marsjańskiej atmosferze, jako źródło węgla i azotu. W tych warunkach cyjanobakterie zachowują zdolność do wzrostu w wodzie zawierającej tylko pył podobny do marsjańskiego i nadal mogą być wykorzystywane jako źródło pożywienia dla innych drobnoustrojów. Może to pomóc w planowanych długoterminowych misjach na Marsa - mówi dr Cyprien Verseux, główny autor badań z Uniwersytetu w Bremie w Niemczech.
Cyjanobakterie od dawna są głównymi kandydatami do wspomagania biologicznych systemów podtrzymywania życia podczas misji kosmicznych, ponieważ wszystkie ich gatunki wytwarzają tlen w procesie fotosyntezy. Niektóre z nich mogą wiązać azot atmosferyczny w składniki odżywcze. Jednak nie zawsze współgrają z ziemskim życiem. Występuje w prawie każdym środowisku na naszej planecie i czasami wytwarza silne toksyny, które mogą zabić inne organizmy.
Ale to dzięki nim istniejemy. Naukowcy uważają, że gwałtowny wzrost ilości sinic około 2,4 miliarda lat temu był w dużej mierze odpowiedzialny nasycenie ziemskiej atmosfery tlenem, radykalnie zmieniając całą planetę. To pozwoliło na rozwój innych form życia.
Atmosfera Marsa składa się głównie z dwutlenku węgla (95 procent) i azotu (3 proc.), z których oba są wiązane przez cyjanobakterie. Te przekształcając je odpowiednio w związki organiczne i składniki odżywcze.
Jednak ciśnienie atmosferyczne na Marsie jest znaczącym ograniczeniem. To tylko 1 procent ciśnienia atmosferycznego Ziemi. Ciśnienie na Czerwonej Planecie jest zbyt niskie, by umożliwić obecność wody w stanie ciekłym. Cyjanobakterie nie mogą bezpośrednio rosnąć w marsjańskiej atmosferze, a odtworzenie warunków atmosfery ziemskiej na Marsie jest zbyt kosztowne i mało praktyczne. Dlatego naukowcy poszukiwali czegoś pośredniego: atmosfery zbliżonej do Marsa, która pozwoli sinicom dobrze rosnąć.
Uczeni w końcu znaleźli kompromis. Verseux wraz z kolegami opracował bioreaktor o nazwie Atmos (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems). Koncepcja zakładała, żeby w takim reaktorze można było ustawić ciśnienie atmosferyczne na poziomie około 10 procent ciśnienia ziemskiego, ale reszta składników potrzebnych do wzrostu sinic pochodzi już z Marsa.
Oprócz azotu i dwutlenku węgla, gazów obecnych w atmosferze Marsa oraz wody, którą można wydobywać z roztopionego lodu, sinice mogłyby czerpać składniki odżywcze z regolitu – drobnego pyłu pokrywającego planety i księżyce. We wcześniejszych pracach wykazano, że marsjański regolit jest bogaty w fosfor, siarkę i wapń.
Atmos składa się z dziewięciu litrowych naczyń wykonanych ze szkła i stali, z których każde jest podgrzewane. Skład i ciśnienie atmosfery w zbiornikach jest monitorowane cyfrowo, podczas gdy kultury sinic wewnątrz są stale mieszane. W bioreaktorze znalazła się również woda oraz imitacja marsjańskiego regolitu.
Uczeni do eksperymentów wybrali cyjanobakterie z rodzaju Anabaena. Wstępne testy wykazały, że byłyby one szczególnie dobre w wykorzystaniu zasobów Marsa. Sinice te nadają się do inżynierii genetycznej i są w stanie tworzyć wyspecjalizowane uśpione komórki, aby przetrwać w trudnych warunkach.
Kultury bakterii przetestowano w różnych warunkach. W niektórych z dziewięciu komór uczeni wykorzystali pożywkę do hodowli cyjanobakterii. W innych była obecna wyłącznie imitacja regolitu. W części ustawiono ciśnienie atmosferyczne Ziemi, podczas gdy w innych komorach zostało zredukowane do warunków marsjańskich.
Doświadczenia te pokazały, że cyjanobakterie rozwijały się we wszystkich warunkach. Oczywiście najlepiej proces ten wyglądał na pożywce, ale na regolicie także zaobserwowano wzrost. Fakt, że sinice w ogóle wzrosły na regolicie stanowi ogromny sukces i pokazuje, że rozwój cyjanobakterii na Marsie nie musiałby polegać na składnikach importowanych z Ziemi.
Następnie, aby ocenić, czy cyjanobakterie wyhodowane w symulowanych marsjańskich warunkach mogą nadal być użyteczne, naukowcy wysuszyli je i wykorzystali jako substrat do hodowli bakterii Escherichia coli. Udowodnili tym, że można z nich ekstrahować cukry, aminokwasy i inne składniki odżywcze do karmienia innych kultur bakterii, które są mniej wytrzymałe, ale zostały już sprawdzone jako narzędzia dla biotechnologii. Na przykład bakterie E. coli można łatwiej zmodyfikować niż sinice Anabaena do produkcji niektórych produktów spożywczych czy leków.
Oczywiście jest jeszcze wiele do zrobienia. Atmos został zaprojektowany w celu sprawdzenia, czy cyjanobakterie mogą być hodowane w określonych warunkach, a nie w celu maksymalizacji wydajności. Dodatkowo parametry bioreaktora mogą się zmieniać, co pozwala dostosować go do różnych warunków. Jednak teraz, gdy koncepcja została sprawdzona, zespół naukowców może przystąpić do pracy nad optymalizacją systemu bioreaktorów, który być może pewnego dnia pozwoli utrzymać ludzkie kolonie przy życiu na Czerwonej Planecie.
- Nasz bioreaktor Atmos nie jest systemem uprawy, którego używalibyśmy na Marsie. Ma on na celu testowanie na Ziemi warunków, które byśmy tam znaleźli. Ale nasze wyniki pomogą pokierować projektowaniem marsjańskiego systemu upraw. Chcemy przejść od tego dowodu słuszności koncepcji do systemu, który może być efektywnie stosowany na Marsie – podkreśla Verseux.
Źródło: EurekAlert!, fot. C. Verseux / ZARM
