Открытие микроорганизмов — включая вирусов — в верхних слоях атмосферы было неожиданным для официальной науки, поскольку они, как правило, не переносятся из нижних слоёв атмосферы в верхние из-за тропопаузы, играющей роль барьера:
Тропопауза действует как барьер для свободного перемещения частиц выше 17 км, тем самым очень затрудняя такой перенос с Земли в стратосферу[1].
The troposphere, the tropopause and the stratosphere​
Тропосфера, тропопауза и стратосфера
Одним из немногих задокументированных событий, способных "прорвать" тропопаузу и, возможно, перенести поверхностные микроорганизмы в стратосферу, являются очень крупные вулканические извержения[2].

Но гипотеза крупных вулканических извержений была отвергнута, когда две из научных работ, сообщающих о присутствии микроорганизмов в стратосфере, были проведены через два года или более после последних крупных вулканических извержений[3]. Известно, что через два года или раньше вся вулканическая пыль опускается в нижние слои атмосферы[4].
The 2015 Etna eruption. The most violent in 20 years. The plume reaching the tropopause was blocked hence the characteristic anvil shape​
© Guiseppe FamianiИзвержение Этны в 2015 году. Самое сильное за последние 20 лет.
Шлейф, достигший тропопаузы, был заблокирован, отсюда характерная форма наковальни.
Таким образом, не только микроорганизмы, включая вирусы, присутствуют в кометном материале, как было показано в предыдущей главе, они также широко распространены в верхней атмосфере Земли. Первые открытия были сделаны ещё в 1930-х годах, почти столетие назад:
[В 1936 году] пилотируемый американский высотный аэростат Explorer II стал первым зондом по отбору проб воздуха, достигшим стратосферы (до 21 км над уровнем моря). Было найдено несколько жизнеспособных микробов, относящихся к родам Bacillus, Macrosporium, Aspergillus, Penicillium и Rhizopus[5].
Обратите внимание, что в этом эксперименте уже использовались автоклавированные пробирки для сбора образцов, что фактически исключало возможность земного загрязнения.

В 1960-х годах воздушные шары летали ещё выше — 30 км и выше — и продолжали давать положительные результаты идентификации микроорганизмов:
Хотя микробиологические методы, доступные в то время, были довольно примитивными по сравнению с современными, уже существовали некоторые интригующие признаки присутствия внеземных микробов в образцах воздуха, собранных на высоте 30 км и выше (Bruch, 1967). Обнаружение микроорганизмов на высоте 39 км и плотность популяции, которая увеличивалась с высотой, указывали на их возможное внеземное происхождение[6].
В 1970-х годах открытие микроорганизмов было ещё раз подтверждено анализом пыли, собранной во время стратосферных полётов самолётов-шпионов U2:
В 1970-х годах для их сбора из нижней стратосферы на высоте 18 - 20 км использовались промасленные листы, выставленные снаружи самолётов U2, летящих со скоростью ~200 м/с. Этот метод был подвержен проблеме загрязнения, а также разрушения частиц и недостаточного сбора мелких лёгких частиц (которые имеют свойство уноситься вместе с воздушным потоком). Более того, настоящие межпланетные частицы должны быть тщательно очищены от земных загрязнений.

Было обнаружено, что эти так называемые частицы Браунли, в основном имевшие форму механической смеси кремнистой пыли, содержат внеземные органические молекулы, по сложности и разнообразию приближающиеся к тем, которые недавно были обнаружены в Мурчисонском метеорите. В нескольких случаях микробная морфология была обнаружена в отдельных частицах Браунли[7].
Micron-sized carbonaceous structure in a Brownlee particle compared with a microbial fossil​
© WickramasingheУглеродистая структура микронного размера в частице Браунли в сравнении с микробной окаменелостью
Именно в 1970-х годах была достигнута самая большая высота, когда Имшенецкий и его исследовательская группа собрали пробу воздуха на высоте до 85 км[8] — выше верхней границы стратосферы, — из которой они выделили бактерии и грибки:
В 1970-х годах А. А. Имшенецкий и его коллеги собрали образцы воздуха с ещё больших высот, от стратосферы до мезосферы (48 - 85 км над уровнем моря), используя стерилизованные гамма-излучением метеорологические ракеты, и исследовали характеристики выделенных штаммов бактерий и грибков[9].
Аналогичный эксперимент был проведён в 2001 году в стратосфере над Индией. В результате было выявлено три микроорганизма — два бактериальных и один грибковый вид:
В 2001 году группа индийских и британских исследователей под руководством Чандры Викрамасингхе сообщила, что в пробах воздуха над Хайдарабадом, Индия, собранных из стратосферы Индийской организацией космических исследований (ISRO) 21 января 2001 года, содержатся скопления живых клеток. Викрамасингхе называет это "неопровержимым доказательством присутствия скоплений живых клеток в образцах воздуха с высоты 41 км, выше которой воздух с более низких уровней обычно не переносится". Два вида бактерий и один вид грибков были позже независимо выделены из этих фильтров. Они были идентифицированы как Bacillus simplex, Staphylococcus pasteuri и Engyodontium album соответственно[10].
В 2005 году пробы воздуха были взяты на высотах более 40 км[11]. Результаты оказались неожиданными — были идентифицированы не только 15 различных известных видов микроорганизмов, но и три вида бактерий[12], неизвестных до сих пор на Земле:
В 2005 году Индийская организация космических исследований провела усовершенствованный эксперимент. 20 апреля 2005 года были взяты пробы воздуха из верхних слоёв атмосферы на высотах от 20 км до более чем 40 км. Образцы были протестированы в двух лабораториях в Индии. Лаборатории обнаружили в этих образцах 12 видов бактерий и 6 видов грибков. Среди грибков присутствовали Penicillium decumbens, Cladosporium cladosporioides, Alternaria sp. и Tilletiopsis albescens. Из 12 образцов бактерий 3 были идентифицированы как новые виды и названы Janibacter hoylei (в честь Фреда Хойла), Bacillus isronensis (в честь ISRO) и Bacillus aryabhattai (в честь древнеиндийского математика Ариабхата). Три новых вида оказались более устойчивы к УФ-излучению, чем аналогичные бактерии[13].
В следующем году пробы воздуха были взяты снова — над Индией. Эта проба стратосферного воздуха не только позволила идентифицировать ещё четыре неизвестных вида бактерий, но некоторые из собранных микроорганизмов также оказались жизнеспособными, несмотря на дополнительный стресс, вызванный охлаждением при сборе и использованием очень узкого спектра питательных веществ:
Сбор проб при низких температурах в стратосфере над Хайдарабадом (Индия) позволили выделить четыре новых вида из рода Bacillus: B. aerius sp. nov., B. aerophilus sp. nov., B. stratosphericus sp. nov. и B. altitudinis sp. nov. Во многих исследованиях, подобных этому, выбор культивируемых микробов зависел от метода сбора (криопробирки промывали буфером, который затем наносили на питательную среду) в данном случае и используемой среды (например, агар Лурия-Бертани или питательный агар), и эффективно позволял восстанавливать и культивировать только определённые микробы[14].
Количество штаммов бактерий, архей[15] и грибков, обнаруженных в стратосфере и выше, настолько впечатляет, что ДасСарма и др. составили неполный список:
List of microorganisms found in the stratosphere​
© DasSamaСписок микроорганизмов, обнаруженных в стратосфере
Обратите внимание, что в описанных выше экспериментах пробы воздуха отбирались с использованием всё более стерильных процедур:
Полёты на воздушных шарах, запускаемых Индийской организацией космических исследований (ISRO) с 1990-х годов, первоначально достигали высоты ~30 км для отбора проб хлорфторуглеродов в стратосфере. Замороженный воздух собирался в стальные цилиндры с цельнометаллическими клапанами (управляемыми дистанционно), погруженные в жидкий неон. Последние полёты достигали высоты 40 - 45 км, при этом всё оборудование было ультрачистым и стерильным для снижения уровня загрязнения. В январе 2001 года этот метод был использован для асептического сбора первозданной кометной пыли с помощью криозондов, поднятых на воздушных шарах на высоту 41 км[16].
В итоге мы имеем, с одной стороны, метеориты, непосредственно переносящие новые микроорганизмы, включая вирусные, как было показано в предыдущей главе, и, с другой стороны, высокие слои атмосферы Земли, насыщенные микроорганизмами, как показано в настоящей главе. Может ли последнее быть следствием первого? Способствуют ли пролетающие через атмосферу метеориты осаждению микроорганизмов в ней?

Совпадение или нет, но именно в мезосфере — где неоднократно находили микроорганизмы — метеоры начинают фрагментироваться:
В верхней атмосфере были обнаружены разнообразные микробы, в том числе устойчивые к радиации, на высотах от 41 км до 77 км[17]и, таким образом, как в стратосфере, так и в мезосфере, которая является чрезвычайно сухой, холодной (-85 °C) и не содержит кислорода. Именно в мезосфере метеоры начинают фрагментироваться во время своего полёта к Земле[18].
Можно возразить, что микробы на такой высоте будут уничтожены окружающим холодом, вакуумом и радиацией, но оказывается, что некоторые микробы являются анаэробными[19] и устойчивы к замораживанию[20]:
Microscope picture of psychrophilic (cold-loving) bacteria.​
© S. GrossmannМикроскопическая фотография психрофильных (холодолюбивых) бактерий.
Некоторые микроорганизмы также устойчивы к радиации[21], более того — они процветают в такой экстремальной среде. Вот яркий пример:
В 1960 году Фаулер и др. сообщили о виде Pseudomonas, живущем в исследовательском ядерном реакторе, где средняя доза облучения оценивалась более чем в миллион рад[22][23].
Аналогичным образом, было неоднократно показано, что вирусы могут выживать во внеземных условиях, включая низкую температуру, микрогравитацию, вакуум и интенсивное излучение[24].

Таким образом, кажется, что некоторые микроорганизмы прекрасно способны выживать в космических условиях. Дебаты о жизнеспособности стратосферных микроорганизмов, похоже, были прекращены, когда метаболически активные микробы были запущены в стратосферу и возвращены на Землю. Эти клетки сохранили свою жизнеспособность[25] после путешествия в стратосферу.

Теперь, когда мы знаем, что некоторые микроорганизмы совершают космические путешествия, возникает следующий вопрос: сколько их падает на Землю? По оценкам на Землю ежедневно оседает огромное количество стратосферного мусора:
При ежедневном падении кометного мусора, составляющего в среднем около 500 тонн, возможность обнаружения проникающих микробов, несомненно, должна существовать. [26]
В связи со значительным выпадением кометного мусора, осаждение микроорганизмов на Землю также носит массовый характер:
Здесь мы демонстрируем, что даже в нетронутой среде, над атмосферным пограничным слоем, нисходящий поток вирусов колебался от 0,26 × 109 до 7 × 109 на м2 в день. Эти показатели осаждения в 9 - 461 раз превышали показатели для бактерий, которые варьировались от 0,3 × 107 до 8 × 107 на м2 в день[27].
Вы прочитали это правильно. Ежедневно на каждый квадратный метр[28] с неба падает около миллиарда вирусов. Чтобы привести более соизмеримый пример, в такой стране, как Канада, эта поразительная плотность выпадения означает 25 вирусов, падающих с неба ежедневно на каждого жителя:
"Каждый день более 800 миллионов вирусов оседают на квадратный метр над планетарным пограничным слоем — это 25 вирусов на каждого жителя Канады", — говорит вирусолог Университета Британской Колумбии Кертис Саттл, один из старших авторов статьи в журнале Международного общества микробной экологии, в которой были изложены результаты исследования[29].
Теперь, когда мы знаем, что микроорганизмы, включая вирусы, присутствуют как в кометном материале, так и в высших слоях атмосферы, возникает вопрос: откуда берутся эти вирусы? Каково их происхождение?

Цель следующей главы — дать некоторые ответы на эти вопросы.



[1] Wickramasinghe, Chandra et al. (2013) "Diseases From Space: Astrobiology, Viruses, Microbiology, Meteors, Comets, Evolution" Cosmology Science Publishers
[2] Pitari, Giovanni et al. (2016) "Impact of Stratospheric Volcanic Aerosols on Age-of-Air and Transport of Long-Lived Species" Atmosphere 7. 149. 10.3390
[3] Wickramasinghe, 2013
[4] Время жизни аэрозольных частиц (таких как частицы от вулканических извержений) в стратосфере, по расчётам, составляет от 1 до 2 лет.
[5] DasSarma P. et al. (2020) "Earth's Stratosphere and Microbial Life" Curr Issues Mol Biol. 38:197-244
[6] Burdyuzha, 2006
[7] Wickramasinghe et al. (2010) "Bacterial morphologies in carbonaceous meteorites and comet dust" Proc. SPIE 7819
[8] 53 мили.
[9] DasSarma P., 2020
[10] Wikipedia contributors (2022) "Panspermia" Wikipedia
[11] 25 миль.
[12] Shivaji, S. et al. (2009) "Janibacter hoylei sp. nov., Bacillus isronensis sp. nov. and Bacillus aryabhattai sp. nov., isolated from cryotubes used for collecting air from upper atmosphere" International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 59 (Pt 12): 2977 - 86
[13] Там же.
[14] DasSarma P. et al. (2020) "Earth's Stratosphere and Microbial Life" Curr Issues Mol Biol. 2020;38:197-244
[15] Группа микроорганизмов, которые похожи на бактерии, но эволюционно отличаются от них.
[16] Wickramasinghe, Chandra et al. (2010) "Bacterial morphologies in carbonaceous meteorites and comet dust" Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology XIII, vol. 7819, pp. 299-315
[17] От 25 до 48 миль.
[18] Joseph R. (2010) "Comets and Contagion: Evolution, Plague, and Diseases From Space" Research Gate
[19] Díaz EE. et al. (2006) "Phenotypic properties and microbial diversity of methanogenic granules from a full-scale upflow anaerobic sludge bed reactor treating brewery wastewater" Appl Environ Microbiol. 72(7):4942-9
[20] Torosian S. et al. (2009) "A refrigeration temperature of 4 °C does not prevent static growth of Yersinia pestis in heart infusion broth" Canadian journal of microbiology 55. 1119-24. 10.1139
[21] Singh, O. and Gabani, P. (2011) "Extremophiles: radiation resistance microbial reserves and therapeutic implications" Journal of Applied Microbiology 110: 851-861
[22] Hoover, R.B. et al. (1986) "Diatoms on earth, comets, Europa and in interstellar space" Earth Moon Planet 35, 19 - 45
[23] Для сравнения доза в 1000 рад почти всегда смертельна для человека.
[24] Pavletić B et al. (2022) "Spaceflight Virology: What Do We Know about Viral Threats in the Spaceflight Environment?" Astrobiology 22(2):210-224
[25] DasSarma, S. and DasSarma, P. (2018) "Survival of microbes in Earth's stratosphere" Current Opinion in Microbiology 43, 24-30
[26] Vladimir Burdyuzha (2006) "The Future of Life and the Future of our Civilization" Springer
[27] Isabel Reche et al. (2018) "Deposition rates of viruses and bacteria above the atmospheric boundary layer" The ISME Journal
[28] 10 кв. футов.
[29] Там же.