Когда-то давным-давно, выносливые микроорганизмы, называемые цианобактериями распространили жизнь на безжизненной Земле. Сегодня те же самые организмы могли бы стать ключом к колонизации Марса.

У растений будут большие трудности на враждебной поверхности Красной планеты, но цианобактерии справлялись в экстремальных условиях в течение целых эр. В работе, написанной астробиологом Линн Ротшильд из исследовательского центра имени Эймса, утверждается, что мы можем использовать эти крошечные фотосинтезирующие организмы для получения многих веществ, нужных для жизни, от пищи и кислорода до металлов и лекарств. В статье рассказывается о том, чем цианобактерии могут быть полезны на Марсе.

 

Извлечение веществ

В научной фантастике описывается уборка людьми урожая пшеницы на поле под терраформированным марсианским небом и растущие грядки картофеля внутри зданий с управляемым климатом. Но в действительности, выращивание любых растений на Марсе будет проблемой, потому что в марсианском грунте недостаёт некоторых ключевых веществ.

В первую очередь, там не так много азота. Растения требуют много этого вещества, и нуждаются в одном из двух его соединений: аммиаке (NH3) или нитрате (NO3). Большая часть азота на Марсе содержится в виде простого вещества (N2) в атмосфере, и, насколько известно, почва довольно бедна азотом. Марсоход Curiosity получил первые признаки биологически полезного азота на Марсе в марте 2014 года.

Такое встречается и на Земле, но у нас есть решение: микробы. Некоторые цианобактерии являются азотофиксаторами, имеющими специальные ферменты, позволяющие переработать N2 из атмосферы для получения аммиака. На Земле азотофиксаторы живут в симбиозе в корнях растений, давая растениям соединения азота в обмен на сахар. И существует мнение, что мы также можем использовать цианобактерии, чтобы извлекать удобрения из марсианской атмосферы.

Помимо азота, есть длинный список других питательных веществ, нужных растениям и человеку чтобы поддерживать жизнедеятельность — фосфор, магний, калий, кальций, цинк, железо и так далее. Большинство этих элементов можно найти в базальтовых породах, которые покрывают поверхность Марса, и цианобактерии могут помочь извлечь их. Некоторые виды выделяют ферменты, которые перерабатывают минералы, высвобождая полезные вещества. На самом деле, именно этот метаболический потенциал, вероятно, позволил древней цианобактерии колонизировать бесплодную поверхность Земли.

Цианобактерии являются доказанным методом извлечения питательных веществ, но вполне возможно, что можно сделать больше, чем сделала эволюция. С помощью небольшого генетического вмешательства, можно спроектировать цианобактерии, способные извлекать все виды полезных металлов из горных пород. Микробы уже используются для извлечения меди и золота на Земле, а компания Deep Space Industries занята инженерными изысканиями по созданию бактерий, которые смогут жить на астероидах и выделять платину.

Марсианская золотая лихорадка будет вестись не первопроходцами с кирками, а учеными с генетически модифицированными бактериями.

 

Питание людей

Если марсианские поселенцы должны будут привезти пищу с Земли, это добавит огромное количество груза, ракетного топлива, а также заметно увеличит стоимость поездки. Для долгого существования марсианской колонии, нужна пища, доступная для выращивания на Марсе. И это не обязательно будут растения.

b2ap3_large_SpirulinaBowl.830web

Еда из бактерий

Конечно, все загонялись по космическому салату на МКС в 2015 году, но на Марсе намного больше смысла для колонистов будет в поедании зеленых микробов. Марс получает только около 44% солнечного света, по сравнению с Землёй, так что будут нужны растения настолько энергоэффективные, насколько это возможно. Многочисленные исследования показали, что цианобактерии являются лучшими собирателями солнечной энергии, чем растения, преобразующими больший процент получаемых фотонов в калории. Более того, при культивировании бактерий в экологически контролируемых биореакторах, можно контролировать их рост так, как не получится ни с какими растениями.

Если поедание микробов на обед для вас немного странно, имейте в виду, что цианобактерии уже и так популярная добавка к пище на Земле. Никогда не слышали о спирулине? Сине-зеленый порошок, популярный в магазинах здоровой пищи и хипстерских заведениях является цианобактериями, принадлежащими к роду Arthrospira. Arthrospira имеет высокое содержание белка и содержит почти все нужные вещества, за исключением витамина С и некоторых эфирных масел. Опять же, небольшими генетическими изменениями, мы могли бы усовершенствовать питательные возможности Arthrospir’ы, включая и вкус. Спирулиновые батончики со вкусом тыквы могут быть всем, что нужно, чтобы храбрые марсианские колонисты чувствовали себя как дома.

 

Получение газов для дыхания

Тонкая марсианская атмосфера практически не содержит кислорода: 0,13% O2, по сравнению с 21% на Земле. Очевидно, это меньше, чем нужно.

Фотосинтез — это удивительный биохимический процесс, который превращает солнечный свет в сахар, при нём также выделяется O2 в качестве побочного продукта. И знаете что? Улавливая и преобразовывая солнечную энергию более эффективно, чем растения, цианобактерии в итоге производят больше кислорода. «Цианобактерии являются очень эффективными производителями O2», — пишут Ротшильд и её коллеги, — «В то время как деревья выделяют около 2,5-11 тонн О2 на гектар в год, промышленное выращивание в открытых прудах видов Arthrospira, начатое в Юго-восточной Калифорнии даёт около 16,8 тонн О2 на гектар в год». Исследователи отмечают, что в биореакторах с управляемыми температурой, потоком питательных веществ, плотностью живого вещества и освещением, производство O2 может быть значительно увеличено.

Ротшильд и ее коллеги предполагают собирать этот O2 и направлять его в системы жизнеобеспечения, вместе с этим отправляя выдыхаемый СО2 обратно в биореактор. На Марсе, жизненные циклы будут зависеть от клапанов.

 

Использование цианобактерий на марсианском поселении в представлении художника

Использование цианобактерий в марсианском поселении в представлении художника

Заправка техники

Даже если вы лично не хотите есть бактерии на завтрак, обед и ужин, вы можете кормить ими свой марсоход. Помните те удобные азотофиксирующие ферменты цианобактерий, используемые для получения удобрений из атмосферы? Когда не хватает азота, ферменты запутываются и выделяют H2, используемый в качестве ракетного топлива. Пока неясно, могут ли цианобактерии производить нужное количество водорода, но это, безусловно, должно исследоваться.

Кроме водорода, цианобактерии производят широкий спектр масел, которые можно переработать в биотопливо. Действительно, биотопливо из водорослей настолько эффективно, что Министерство энергетики США считает, что его можно использовать в машинах, которые сжигают дизельное топливо сегодня. Даже если мы не хотим сжигать цианобактерии напрямую, можно использовать их в качестве сырья для дрожжей, которые производят другое известное биотопливо — этанол. Вполне возможно, что первые экспедиции к долинам Маринера и горе Олимп будут работать на бактериях.

Да, и что же самое лучшее в сжигании топлива на Марсе? Там так холодно, что вообще не стоит заморачиваться о парниковых газах. Выделяйте столько, сколько потребуется.

 

Все остальное!

Если мы хотим действовать на Марсе долгосрочно, нужно смотреть дальше базовой поддержки жизни. В конце концов, людям будут нужны все известные виды синтетических материалов, пищевых добавок и лекарственных средств. Может с помощью микробов? Быстрый взгляд на земную биотехнологическую промышленность позволяет полагать что так оно и будет.

Мы уже прививаем кишечной палочке гены, необходимые для производства всего: от косметических средств до антибиотиков и противораковых препаратов. Кроме того, некоторые исследователи считают, что мы можем использовать цианобактерии для создания разного рода полезных продуктов на Марсе, в том числе лекарств, биопластика и строительных материалов. «Способность цианобактерий производить органический материал из марсианских ресурсов, в сочетании с нашими возрастающими способностями в метаболической инженерии, позволяют предполагать множество других приложений, начиная от выполнения основных функций жизнеобеспечения до обеспечения комфорта», — пишут Ротшильд и коллеги. Исследователи признают, что нужно ещё много всего сделать на этом фронте. Но одно уже ясно: что эти наши сине-зеленые микробные друзья имеют потенциал гораздо больший, чем быть добавкой в смузи.

 

Всё равно повезём растения!

Я знаю, о чем вы сейчас думаете. Водорослевые батончики? На всю оставшуюся жизнь? Не были ли люди из «Звёздного крейсера «Галактика»» несчастными?

Так и есть, но помните, что этих людей преследовали по всей галактике кровожадные сайлоны. Если говорить более конкретно: получение большей части питания и жизнеобеспечения от цианобактерий не означает, что растений вообще не будет. Снова и снова, наука говорит о психологических преимуществах зеленых растений по отношению к человеку, и этой причины достаточно, чтобы привезти растения на Марс. Растения, вероятно, дадут небольшой питательный вклад в колонизацию Марса, но если они позволят нашим храбрым поселенцам не унывать, то оно того стоит.

Появление первых людей на Марсе станет важной вехой, но поддержание их жизнедеятельности будет одной из самых больших технологических задач. За миллиарды лет на Земле, цианобактерии зарекомендовали себя как хорошие недропользователи, трраформирователи, и, самое главное, они при этом выживали. Может быть, пришло время дать им задание, достойное их мастерства.

 

Мэдл Стоун