Высокоэнергетическое космическое излучение, обычно считаемое губительным для живых организмов, может способствовать существованию микробов под поверхностью планет и спутников с тонкой атмосферой.
К такому выводу пришла международная группа учёных, введя новую концепцию — зону радиолитической обитаемости, где энергией для жизни служит радиолиз воды, вызванный галактическими космическими лучами (GCR).
Авторы указывают, что ионизирующее излучение способно не только разрушать биомолекулы, но и создавать химические соединения, подходящие для жизни. Вода под действием заряженных частиц разлагается на активные радикалы, ионы и свободные электроны. Последние в жидкой среде становятся «гидратированными» и могут использоваться микроорганизмами как источник энергии — подобно тому, как растения используют свет. Такой механизм уже известен на Земле: например, бактерия Desulforudis audaxviator, обнаруженная в южноафриканской шахте на глубине 2,8 км, полностью изолирована от солнечного света и питается продуктами радиолиза, вызванного распадом радиоактивных изотопов в породе.
В результате численного моделирования учёные определили потенциальную энергию организмов под поверхностью Марса, Европы и Энцелада. Самой подходящей средой оказалась поверхность Энцелада: на глубине около 2 метров возможно содержание микробных клеток плотностью до 4,3×10 . 4 В одном кубическом сантиметре насчитывается множество клеток, а выработка энергии в форме молекул АТФ достигает 10. 8 Скорость роста составила одну грамму в секунду. В качестве сравнения, на Марсе максимальная биомасса достигла 1,1×10… -8 г/см2 на глубине 0,6 м, а на Европе — 4,5×10-9 г/см2 на глубине 1 м.
Авторы считают радиолиз устойчивым и универсальным механизмом, особенно для объектов без плотной атмосферы и магнитного поля. Космические лучи проникают на глубину нескольких метров и запускают цепь реакций, создавая вторичные электроны. В свою очередь эти электроны могут влиять на обмен веществ микроорганизмов как напрямую, так и опосредованно через органические молекулы-«переносчики».
Некоторые микроорганизмы, например Geobacter, Shewanella и фотосинтезирующий Rhodopseudomonas palustris, способны захватывать электроны из окружающей среды с помощью нанопроводящих белковых структур или посредством окислительно-восстановительных реакций с металлами и минералами. Благодаря этим свойствам их можно использовать в качестве моделей для жизни, питающейся продуктами радиолиза.
Радиолиз изначально изучался как способ разрушения органических молекул, но появляются всё больше доказательств его участия в синтезе биологически важных соединений. Эксперименты демонстрируют, что продукты радиолиза могут участвовать в создании аминокислот, сахаров, макромолекул и даже железо-серных кластеров — важных компонентов белков, отвечающих за метаболические реакции во всех известных формах жизни. Эти процессы могли быть значимыми для химической эволюции на ранней Земле, а возможно, и на других объектах Солнечной системы.
Из изученных тел наиболее эффективным является Энцелад: у него высокая плотность энергии, достаточная глубина для проникновения излучения и подповерхностный океан, о чем говорят выбросы вещества через трещины в ледяной коре. Химический состав этих выбросов указывает на наличие ацетатов — потенциальных источников углерода для микробиальной жизни. Аналогичные соединения найдены и на поверхности Марса, где зафиксированы потенциальные подповерхностные резервуары воды под полярными шапками.
Авторы указывают, что рассчитанные значения плотности тока и энергии достаточно для поддержания активности организмов, схожих с D. audaxviator, — в частности, если сравнивать их с измеримыми показателями энергии в естественной среде обитания (10). 5–106 Энэрией для Сатурна получается значение 79,8 эВ/г·с, а для Энцелада — около 10. 7 ЭВ/г·с. Авторы отмечают, что нынешние значения плотности тока (∼10) -12 А/см2Результаты оказались существенно ниже показателей, зарегистрированных в лабораторных условиях у микроорганизмов.
В работе впервые предложено формальное определение зоны радиолитической обитаемости (RHZ) как области под поверхностью, где энергия от радиолиза достаточна для поддержания метаболизма. RHZ количественно рассчитаны, включая возможное количество бактериальных клеток на кубический сантиметр: максимум — 4,3×10⁹. 4 клеток/см3 на Энцеладе, 104 — на Марсе, и 4×103 — на Европе.
Исследование расширяет поиски жизни в Солнечной системе. Если прежде акцент делался на условиях на поверхности — воде и тепле, то теперь открывается возможность существования жизни даже в холодных и тёмных местах при наличии воды и потока ионизирующего излучения. Авторы подчеркивают, что в будущих миссиях необходимо особое внимание уделить исследованиям подповерхностных слоёв. На Марсе это области под полярными шапками, на Европе — регионы с тонкой ледяной корой, а на Энцеладе — зоны около активных трещин в южной полярной области, где толщина льда может достигать нескольких километров.
Миссии, такие как Europa Clipper, Mars Life Explorer и Enceladus Orbilander, позволят впервые исследовать наличие радиолитической обитаемости с помощью радиолокации, бурения и анализа состава.