Высокоэнергетическое космическое излучение, которое обычно считается губительным для всего живого, может, напротив, создать условия для существования микробной жизни — под поверхностью планет и спутников с тонкой атмосферой. К такому выводу пришла международная группа учёных. В своей работе они вводят новую концепцию — зону радиолитической обитаемости, где источником энергии для жизни выступает радиолиз воды, вызванный галактическими космическими лучами (GCR).
Авторы подчёркивают, что ионизирующее излучение может не только разрушать биомолекулы, но и порождать химические соединения, пригодные для жизни. Вода при воздействии заряженных частиц распадается на активные радикалы, ионы и свободные электроны. Последние, попадая в жидкую среду, становятся «гидратированными» и могут использоваться микроорганизмами как источник энергии — аналогично тому, как растения используют свет. Такой путь уже известен на Земле: например, бактерия Desulforudis audaxviator, найденная в южноафриканской шахте на глубине 2,8 км, полностью изолирована от солнечного света и питается продуктами радиолиза, вызванного распадом радиоактивных изотопов в породе.
На основе численного моделирования учёные рассчитали, сколько энергии могут получить такие организмы под поверхностью Марса, Европы и Энцелада. Наиболее благоприятной средой оказался Энцелад: на глубине около 2 метров может поддерживаться плотность микробных клеток до 4,3×104 клеток на кубический сантиметр, а производство энергии в виде молекул АТФ — до 108 на грамм в секунду. Для сравнения, на Марсе максимальная биомасса составила 1,1×10-8 г/см2 на глубине 0,6 м, а на Европе — 4,5×10-9 г/см2 на глубине 1 м.
Радиолиз рассматривается авторами как стабильный и универсальный механизм — особенно для тел без плотной атмосферы и магнитного поля. Космические лучи способны проникать на глубину нескольких метров и запускать каскад реакций, в результате которых образуются вторичные электроны. Эти электроны могут участвовать в метаболизме микроорганизмов как в форме прямой передачи, так и в виде опосредованных реакций через органические молекулы-«переносчики».
Ряд микроорганизмов, таких как представители родов Geobacter, Shewanella и фототрофный Rhodopseudomonas palustris, известны своей способностью захватывать электроны напрямую из внешней среды — с помощью нанопроводящих белковых структур или путём окислительно-восстановительных реакций с металлами и минералами. Эти свойства делают их возможными моделями для жизни, способной питаться продуктами радиолиза.
Ранее радиолиз рассматривался в основном как способ разрушения органических молекул, но всё больше данных указывает на его роль в синтезе биологически значимых соединений. В экспериментах показано, что продукты радиолиза способны участвовать в синтезе аминокислот, сахаров, макромолекул и даже железо-серных кластеров — ключевых элементов в белках, обеспечивающих метаболические реакции в известных формах жизни. Эти процессы могли играть важную роль в химической эволюции на ранней Земле, а потенциально и на других телах Солнечной системы.
Среди рассмотренных в работе тел самый эффективный Энцелад сочетает высокую плотность энергии, значительную глубину для проникновения излучения и наличие подповерхностного океана, о котором свидетельствуют выбросы вещества через трещины в ледяной коре. Более того, химический состав этих выбросов указывает на присутствие ацетатов — потенциальных источников углерода для микробной жизни. Аналогичные соединения обнаружены и на поверхности Марса, где также зафиксированы потенциальные подповерхностные резервуары воды под полярными шапками.
Авторы подчёркивают, что расчётные значения плотности тока и энергии достаточны, чтобы поддерживать активность организмов, подобных D. audaxviator, — в том числе по сравнению с измерениями энергии в её естественной среде обитания (105–106 эВ/г·с), в то время как для Энцелада получены значения около 107 эВ/г·с. Однако они отмечают, что текущие значения плотности тока (∼10-12 А/см2) на несколько порядков ниже тех, что демонстрировали микроорганизмы в лабораторных условиях. Это означает, что для подтверждения гипотезы необходимы дальнейшие эксперименты.
Впервые в рамках этой работы было предложено формальное определение зоны радиолитической обитаемости (RHZ) — области под поверхностью, где энергия от радиолиза достаточна для поддержания метаболизма. Такие зоны рассчитаны количественно, включая возможное количество бактериальных клеток на кубический сантиметр: максимум — 4,3×104 клеток/см3 на Энцеладе, 104 — на Марсе, и 4×103 — на Европе.
Эта работа расширяет границы поиска жизни в Солнечной системе. Если раньше внимание было сосредоточено на условиях на поверхности — наличии воды и тепла, то теперь открывается возможность существования жизни даже в холодных и тёмных местах, если там есть вода и поток ионизирующего излучения. Авторы подчёркивают, что в будущих миссиях особое внимание стоит уделить исследованиям подповерхностных слоёв. В случае Марса — это области под полярными шапками, на Европе — регионы с тонкой ледяной корой, на Энцеладе — зоны вблизи активных трещин в южной полярной области, где толщина льда может достигать нескольких километров.
Предлагаемые миссии вроде Europa Clipper, Mars Life Explorer и Enceladus Orbilander смогут впервые проверить существование радиолитической обитаемости с помощью радиолокации, бурения и анализа состава.
