Att studera miljöer som liknar Mars, och deras mikrobiella ekosystem, skulle kunna hjälpa till att förbereda biologer att identifiera spår av liv i yttre rymden.

I några av de mest avlägsna områdena på vår planet, forskare undersöker hur liv kan bestå i form av små mikrober som lever i en nisch som skulle vara dödlig för de allra flesta organismer på jorden.

Att leva på giftiga ämnen som arsenik, eller i syrefria zoner, dessa tåliga mikrober metaboliserar mat och näringsämnen på helt andra sätt än de flesta växter, djur och människor. Vissa rör sig och metaboliserar så långsamt, till exempel, att forskare tills nyligen inte ens ansåg att de var vid liv.

De hårda miljöerna där de bor liknar förhållanden som finns på Mars och andra planeter, och genom att främja vår förståelse av hur dessa mikrobiella samhällen fungerar, rymdgeobiologer kommer att vara bättre rustade att identifiera tecken på utomjordiskt liv.

Dr. Amedea Perfumo från GFZ German Research Centre for Geosciences leder det EU-finansierade BIOFROST-projektet, som undersöker hur organismer överlever i den djupa biosfären av jordens permafrost, där temperaturen är under noll och det råder syrebrist.

"Dessa anoxiska och frusna förhållanden är extremt relevanta för rymdutforskning. Det är en analog för Mars, ' Hon sa. "Det handlar om att ta reda på vad gränserna för liv på jorden är under de mest lika förhållanden som rymden och se om vi kan få en bättre tolkning av vad som kan komma ut från ett rymduppdrag."

BIOFROST fokuserade på att bygga upp en så kallad on-filter analytisk pipeline, där information om levande bakterier, som hur många det finns av vilken typ, hur aktiva de är och hur de interagerar med varandra extraheras från permafrostsedimentet och samlas upp på ett speciellt guld-platina-belagt filter.

"Jag stöds av några av de mest framstående teknikerna, som inkluderar NanoSIMS och nanospektroskopi, och jag hoppas, särskilt, att tillhandahålla vetenskapliga bevis för en cells grundläggande funktion under sådana extrema förhållanden och hur detta påverkar permafrostens ekosystemfunktion, sa Dr. Perfumo.

Anpassningar

Permafrostmikroorganismerna som studeras av Dr. Perfumo har utvecklat unika anpassningar till deras frysning, syrefria zoner. Deras ämnesomsättning är så långsam, till exempel, att det är först på senare tid som tekniken har blivit tillräckligt sofistikerad för att upptäcka att organismerna ens är vid liv.

Ekologisk anpassning kan ha en kostnad, dock. Eftersom de har utvecklats för att passa så perfekt i sin nisch, någon form av temperaturförändring kan innebära problem för organismerna. I tidigare experiment, Dr. Perfumo fann att när värmen höjdes med endast 5 grader Celsius, bakterierna dog.

Detta visar en mycket låg tolerans för förändringar i miljöförhållanden, till skillnad från många andra typer av bakterier. De olika arter av bakterier som vi tenderar att hitta vid rumstemperatur, till exempel, måste kunna överleva fluktuerande väderförhållanden, medan djupa permafrostbakterier i allmänhet garanteras att leva konstant, även om det är väldigt kallt, temperaturer.

Arsenik

Högt upp i de andinska sjöarna i Argentina, forskare utforskar en annan så kallad extremofil organism – bakterier som överlever i höga koncentrationer av arsenik. Världshälsoorganisationen rekommenderar att dricksvatten inte bör innehålla mer än 10 mikrogram arsenik per liter, men dessa sjöar innehåller fyra eller fem storleksordningar mer.

Förhållandena efterliknar faktiskt livet på den förhistoriska jorden. 'När du är där, det är som om du är på jorden för 3 500 miljoner år sedan, säger Dr Maria Sancho-Tomas från Institut de Physique du Globe de Paris, Frankrike, som leder ASLIFE-projektet för att undersöka bakterierna. 'Det är fantastiskt. Om man tittar på landskapet, det är som Mars.'

På den förhistoriska jorden, organismer var tvungna att utveckla strategier för att antingen bekämpa eller anpassa sig till arseniken. Mikrober som de som studeras av Dr. Sancho-Tomas använde arsenik i sina metabola system, omvandla mineralet till energi, i en process som inte liknar det sätt som människor bryter ner mat.

ASLIFE-forskarna analyserar jordkärnor genom att borra ett hål i marken och extrahera en cylinder med material för att ta tillbaka till laboratoriet för vidare analys. Enligt Dr. Sancho-Tomas, de delar av sedimentet från sjöarna som innehåller arsenik kan tydligt ses – de är lila, eftersom arseniken interagerar med svavel.

Teamet tar också skrapningar från stromatoliter, uråldriga organiska strukturer som kan vara miljarder år gamla och skapas av mikroorganismer. Proverna tas sedan till synkrotronanläggningar vid SOLEIL-fabriken nära Paris, Frankrike, för att få en närmare titt på dessa organismers inre funktioner.

Tanken är att fastställa om vissa arsenikvarianter – eller isotoper – skulle kunna användas som biosignaturer – kemiska indikatorer på att liv är, eller var, närvarande. Om så är fallet, rymdforskare kunde leta efter samma signaturer på andra planeter och dra slutsatsen att det fanns liv där, även om mikroorganismerna själva förblir svårfångade.

I processen, forskarna kommer också på nya sätt att transportera och undersöka dessa mikrober, varav prover kan försämras på grund av faktorer som temperatur- och tryckförändringar. Astrobiologer kommer att kunna använda dessa metoder för att säkerställa att alla utomjordiska prover som hittas kommer att transporteras tillbaka till jorden oskadda.

Närmare hemmet

Dock, att lära sig mer om extremofiler har också praktiska tillämpningar närmare hemmet. Dr. Perfumo arbetar med att anpassa enzymer och molekyler till hala ytor, kända som biotensider, från dessa kylälskande bakterier för att sänka de temperaturer som behövs för många kommersiella och industriella aktiviteter, vilket kommer att vara bra för miljön.

Dr Sancho-Tomas och hennes kollegor gör en högupplöst karta över fördelningen av de arsenikälskande bakterierna i Anderna. Denna information kan sedan användas för att fastställa arsenikförorenade områden runt om i världen, till exempel i Vietnam och Indien.

Vad mer, bakterierna de undersöker kan så småningom användas som bioremediatorer – dvs. naturliga mikroorganismer som tar bort miljöföroreningar från en plats. Ytterligare genetisk analys av de arsenikkonsumerande bakterierna kommer att behövas innan de relevanta enzymerna kan identifieras för detta.