Микроорганизмы в космическом вакууме

На самом деле более правильно, конечно, было бы говорить непросто 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.

Действительно, как уже отмечалось, наличие земных микроорганизмов на борту космического аппарата, если бы они выжили при путешествии в космическом вакууме и попали, скажем, в атмосферу планеты, могло бы существенно исказить эндогенную планетную микрофлору (если таковая там имеется) и отрицательно повлиять на результаты поиска жизни на этих телах.

Кстати, недавно была выдвинута идея о возможности целенаправленного полезного использования земных микроорганизмов для модификации атмосферы Марса при будущей колонизации человеком этой планеты. Реализация этой идеи возможна лишь после тщательных микробиологических исследований Марса. Однако это уже другой сюжет, не относящийся непосредственно к нашей тематике.

Хорошо известно, что высокий вакуум (в том числе и космический вакуум) является средой, губительной для всего живого. Здесь можно вспомнить опыт, проведенный еще в XVII в. немецким физиком О. Герике, который, поместив живую мышь под стеклянный вакуумный колпак, откачал вакуумным насосом из-под него воздух. В результате мышь, естественно, сдохла.

Для человека и вообще для млекопитающих первые неприятности в среде с пониженным давлением начинаются с так называемого кислородного голодания. Вспомним о затруднениях, которые испытывают альпинисты, которые без кислородных приборов, как правило, не могут покорять великие вершины мира. На больших высотах над уровнем моря из крови человека начинают выделяться растворенные в ней газы, и она как бы вскипает. На еще больших высотах начинают лопаться кровеносные сосуды, и человек в отсутствие защитного снаряжения погиб бы от внутренних кровоизлияний.

Для того чтобы космонавт мог успешно жить и работать в космическом вакууме при выходах в открытый космос (а эти выходы все чаще и чаще используются в практической космонавтике), были созданы и успешно эксплуатируются специальные скафандры, имеющие все необходимые системы жизнеобеспечения и надежно защищающие космонавта от губительного воздействия космического вакуума.

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).