ИСТИНА

Проект посвящен изучению механизмов разрушения и синтеза перхлоратов в условиях Марса и влиянию перхлоратов на жизнеспособность микроорганизмов. В проекте будут изучены механизмы разрушения и синтеза перхлоратов в реголите под действием ионизирующей радиации и модифицирующий эффект перхлоратов в реголите в отношении радиорезистентности. Выполнение указанных задач необходимо как для планирования и реализации космических исследований в ближней перспективе (например, российская миссия "Экспедиция-М"), так и в отдаленном будущем в связи с перспективами пилотируемых межпланетных полетов и доставки инопланетного вещества на Землю. Кроме того, данные о радиорезистентности микроорганизмов в различных условиях вносят вклад в понимание механизмов устойчивости, что в дальнейшем может быть применено в биотехнологических и биоинженерных исследованиях.

The presence of perchlorate salts is an important feature of the Martian regolith, which affects the preservation of organic matter and the possibility of survival of microorganisms. Perchlorates can act both as a strong oxidizing agent that destroys organic matter and leads to cell death, and as an energy source for microorganisms, and their solutions can be a source of available water at low temperatures. At the same time, perchlorates can be an indicator of geological and climatic changes on the surface of Mars. Since perchlorates are highly soluble in water, their distribution may indirectly indicate the liquid water cycle on Mars and the conditions under which perchlorates were formed. In this regard, to assess the potential habitability of Mars in the present and past, to build geological models and study the evolution of the planet, as well as to search for biomarkers, it is critical to understand the processes of formation and destruction of perchlorates during the evolution of the planet and the effect of perchlorates on the preservation of biomolecules and cells when exposed to radiation. Due to the absence of a dense atmosphere and magnetic field, the surface of Mars is subjected to intense radiation from galactic cosmic rays. Taking into account the high doses of radiation, it is assumed that the main mechanism for the synthesis of perchlorate is the radiolysis of chlorine-containing Martian soil. At the same time, perchlorates can be destroyed by irradiation. However, to date, there are practically no experiments in this direction. Perchlorates were also found in the ice of Europa, which indicates the existence of a mechanism for the synthesis of perchlorates under atmospheric-free conditions. It is also assumed that the presence of perchlorates can affect the rate of radiolysis of biomolecules and the survival of hypothetical microorganisms in the Martian regolith under the action of ionizing radiation. The negative effect of the presence of perchlorate on the survival of microorganisms was shown under the action of ultraviolet radiation absorbed by the first millimeters of regolith. With respect to ionizing radiation penetrating to depths of up to several meters, this effect has not been studied. This project proposes to conduct a series of experiments on the irradiation of chlorides and perchlorates in pure form and as part of models of regolith and ice at various negative temperatures and at low pressure with accelerated electrons in high doses (up to 20 MGy). After irradiation, the content of various chlorine-containing compounds (including perchlorate ions) will be determined using a wide range of analytical methods. Based on the obtained data, the rate of synthesis and destruction of perchlorates in the Martian regolith and Europa ice in different geological epochs and at different depths will be estimated. It is also planned to conduct experiments on the irradiation of bacteria with accelerated electrons in the presence/absence of perchlorates during immobilization on a mineral matrix and in the composition of ice under conditions of low temperature and low pressure. During these experiments, the influence of the presence of perchlorates during irradiation on the survival of microorganisms in regolith of various compositions (containing and not containing ice) will be evaluated. The results will be interpreted in terms of the possible habitability of the regolith and its various loci (depending on the obtained concentrations of perchlorates and their effect on the survival of bacteria under irradiation) during the geological evolution of Mars. The results of the study may lead to a revision and/or refinement of a number of key concepts of modern astrobiology, influence the conduct of a number of planned space missions, contribute to the adjustment of planetary quarantine measures, and contribute to the understanding of some global processes in the solar system. A large number of current and planned missions to Mars, as well as planned missions to deliver samples from Mars to Earth, significantly increase the relevance of research in this direction.

В результате выполнения проекта будет оценена скорость синтеза и разрушения перхлоратов в реголите Марса при воздействии ионизирующей радиации в зависимости от состава реголита (наличие/отсутствие льда) и температуры при облучении (что соответствует различным регионам Марса). С помощью моделирования будет оценена скорость накопления перхлоратов в реголите на разной глубине и на различных геохронологичесих этапах эволюции Марса. Будет оценено влияние присутствия перхлоратов в реголите на радиорезистентность микроорганизмов в модельных условиях Марса. На основании полученных данных будут сформулированы гипотезы о геологических периодах и эконишах, в которых было возможно выживание микроорганизмов земного типа на Марсе и об эконишах, в которых вероятно сохранение гипотетической биосферы Марса (или ее следов в виде биомаркеров) в настоящее время. Также будет оценена скорость синтеза и накопления перхлоратов во льду Европы с учетом скорости обновления поверхности Европы. Результаты проекта будут соответствовать мировому уровню исследований и дадут ценную информацию для построения астробиологических моделей, изучения эволюции гипотетической биосферы Марса, геологических процессов на Марсе, определения наиболее перспективных потенциально обитаемых регионов и типов геологических отложений на Марсе. Результаты исследования могут привести к пересмотру и/или уточнению ряда ключевых концепций современной астробиологии, повлиять на проведение ряда планируемых космических миссий, способствовать корректировке мер планетарного карантина и внести вклад в понимание некоторых глобальных процессов в Солнечной системе.

Руководителем ранее уже проводились исследования на ускорителе РТЭ-1В с использованием различных климатических камер; при этом отработаны подходы к упаковке и транспортировке образцов (с обеспечением стерильности и температурного режима), облучению образцов (определены способы укладки и извлечения образцов из камеры, токи электронов и длительности сеансов облучения, позволяющие поддерживать определенные температурные режимы, и т.д.). Руководителем получен большой массив данных об устойчивости микробных сообществ и микроорганизмов при облучении ионизирующей радиацией (гамма-излучение, электроны, протоны) в различных условиях, что позволит сопоставить данные, которые будут получены в результате проекта, с устойчивостью микроорганизмов при других режимах воздействия. Проведен ряд исследований, связанных с устойчивостью микроорганизмов к воздействию перхлоратов. Было показано, что в образцах почв и пород, инкубированных с 5% перхлоратом натрия, сохраняется высокое таксономическое разнообразие и численность микроорганизмов, сопоставимые с контролем. Были отработаны методики анализа концентрации перхлоратов фотометрическими и потенциометрическими методами. Были проведены пилотные эксперименты по изучению процессов синтеза и разрушения перхлоратов при облучении ускоренными электронами в безатмосферных условиях . Установлено, что при облучении NaCl в виде смеси с SiO2 и в виде раствора в воде при отрицательных температурах синтезируются ионы ClO4-, и полученные данные свидетельствуют о том, что данный процесс синтеза более эффективен, чем ранее описанные процессы. Тем не менее, в ходе этих экспериментов не проводился анализ ClO2 и ClO3-, использовались лишь наиболее простые по составу модели реголита/льда, облучение проводилось лишь одной дозой и при одной температуре, т.е. не были исследованы зависимости от дозы излучения и температуры при облучении. Руководитель имеет опыт совместной работы с НТК «ЯФ» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», на базе которого будет проведено облучение.