[Перевод] На Энцеладе есть все необходимые для жизни ингредиенты
Спутник Сатурна Энцелад не просто яркий и красивый. Под этим льдом скрывается океан, в котором содержатся химические вещества, необходимые для жизни.
Океанический спутник Сатурна Энцелад привлекает всё большее внимание в процессе поисков внеземной жизни в нашей Солнечной системе. Большая часть того, что мы знаем об Энцеладе и его ледяном океане, получена в результате работы миссии «Кассини». Исследование системы Сатурна аппаратом «Кассини» завершилось в 2017 году, но учёные продолжают работать с его данными.
Новые исследования, основанные на данных «Кассини», подкрепляют идею о том, что на Энцеладе есть все химические вещества, необходимые для жизни.
Во время своего полёта «Кассини» обнаружил гейзероподобные шлейфы воды, извергающиеся из ледяной оболочки Энцелада. В 2008 году «Кассини» совершил близкий пролёт и проанализировал шлейфы с помощью анализатора космической пыли (CDA). CDA показал, что вода в шлейфах содержит интересную смесь летучих веществ, включая углекислый газ, водяной пар и угарный газ. Также были обнаружены следовые количества молекулярного азота, простых углеводородов и сложных органических веществ.
В плюмах Энцелада содержится ледяная крошка, богатая фосфатами.
Однако данные, полученные с помощью «Кассини», продолжают анализироваться даже спустя шесть лет после того, как он завершил свою миссию и был отправлен на гибель в атмосферу Сатурна. В новой статье «Наблюдения за элементным составом Энцелада, согласующиеся с обобщёнными моделями теоретических экосистем» представлены некоторые новые результаты. Ведущий автор — Дэниел Мураторе (Daniel Muratore), постдок из Института Санта-Фе.
Работа посвящена обнаружению аммиака и неорганического фосфора в океане Энцелада. Исследователи использовали экологическую и метаболическую теорию и моделирование, чтобы понять, как эти химические вещества могут сделать Энцелад пригодным для жизни. «Помимо рассуждений о пороговых концентрациях биологически активных соединений, необходимых для поддержания экосистем, метаболическая и экологическая теория может дать мощную теоретическую базу для оценки совместимости внеземной среды с живыми экосистемами», — поясняют авторы.
Важнейшим компонентом экологической теории является соотношение Редфилда. Он назван в честь американского океанографа Альфреда Редфилда. В 1934 году Редфилд опубликовал результаты, согласно которым соотношение углерода и азота к фосфору (C: N: P) в биомассе океана было удивительно постоянным и составляло 106:16:1. Другие исследователи обнаружили, что это соотношение несколько изменяется в зависимости от района и присутствующих видов фитопланктона. В более поздних работах это соотношение было уточнено до 166:22:1.
Точные цифры не так важны, главное — вывод, сделанный Редфилдом. Соотношение Редфилда показывает удивительное единство между химическим составом живых организмов в глубоком океане и самим океаном. Он предположил, что существует равновесие между океанической водой и питательными веществами планктона, основанное на биотической обратной связи. Он описал химическую основу для питательных веществ и простейших живых организмов.
«Чем бы это ни объяснялось, соответствие между количеством биологически доступного азота и фосфора в море и пропорциями, в которых они используются планктоном, — явление, представляющее огромный интерес», — сказал Редфилд в заключении своей работы.
Как же связано обнаружение аммиака и фосфора в океане Энцелада с соотношением Редфилда и биологическим потенциалом Энцелада?
На этом рисунке показан поперечный срез Энцелада, обобщающий процессы, смоделированные учёными SwRI в исследовании 2020 года. Окислители, образующиеся в поверхностном льду при разрушении молекул воды под действием радиации, могут соединяться с восстановителями, образующимися в результате гидротермальной активности и других реакций между водой и горными породами, создавая источник энергии для потенциальной жизни в океане.
Соотношение Редфилда часто встречается на всём «Древе жизни» на Земле. «Из-за этой очевидной повсеместности соотношение Редфилда рассматривается как целевой признак для обнаружения астробиологической жизни, особенно на океанических мирах, таких как Европа и Энцелад», — пишут авторы новой работы. Когда речь идёт о жизни, всё, что у нас есть для примера — это Земля. Поэтому разумно использовать основополагающие аспекты химии жизни на Земле в качестве основы для изучения других потенциально пригодных для жизни миров.
Анализ данных «Кассини», полученных из гейзеров Энцелада, показывает высокий уровень содержания неорганических фосфатов в океане. Другие геохимические симуляции, основанные на данных «Кассини», свидетельствуют о том же. «Эти сообщения о фосфоре следуют за предыдущими работами, в которых были обнаружены многочисленные элементы земной жизни (C, N, H, O) из гейзера Энцелада», — поясняют авторы. Ещё более подробный анализ показывает, что океан содержит многие химические вещества, характерные для живых организмов, такие как предшественники аминокислот, аммоний и углеводороды.
Таким образом, у океана Энцелада богатый химический состав, и многие химические вещества коррелируют с химией жизни. В частности, появилась гипотеза о том, что на Энцеладе может происходить метаногенез. Земные археи осуществляют метаногенез в самых разных условиях окружающей среды на Земле и делают это уже более трёх миллиардов лет, что доказывает их жизнеспособность. Биохимическое моделирование позволяет предположить, что земные метаногены похожи на те, что есть в океане Энцелада.
Исследователи разработали новую, более детальную модель метаногенов на Энцеладе, чтобы выяснить, смогут ли они там выжить и процветать. Их модель в значительной степени опирается на соотношение Редфилда. Они обнаружили, что, хотя фосфор присутствует в океане спутника в высоких концентрациях, общее соотношение «может быть ограничивающим для клеток земного типа».
«Высокие постоянные запасы этих питательных веществ могут быть связаны с неполным истощением биосферы из-за её малого размера или замедленного метаболизма, биосферы с недавно зародившейся жизнью» или другими причинами, которые могут вызвать дисбаланс.
Итак, каковы же перспективы существования жизни на Энцеладе?
Мы совершенствуемся в определении отдельных химических веществ на других планетах, и JWST является ведущим в этом направлении. Однако для поиска жизни нам необходимо более глубокое понимание общей химической среды. Спектр пропускания экзопланеты-гиганта WASP-39 b, снятый спектрографом ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) спутника Webb 10 июля 2022 г., показывает первое точное доказательство наличия углекислого газа в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы.
Мы находимся только в начале пути развития науки о биосигнатурах. Мы можем идентифицировать отдельные химические вещества, но с такого большого расстояния мы не можем точно измерить общий химический состав Энцелада. Новые исследования биосигнатур, в том числе и данная работа, направлены на выявление того, как биологические процессы реорганизуют химические элементы так, чтобы это было заметно «снаружи». Рассматривая целые экосистемы, как это сделал Редфилд, учёные могут обнаружить новые биосигнатуры, которые будут более однозначными.
Если нам удастся это сделать, то мы, возможно, обнаружим, что неземные формы жизни реорганизуют химические элементы совершенно иными способами.
Исследование — часть новых усилий по обнаружению не только отдельных химических биосигнатур, некоторые из которых могут быть ложноположительными. Например, метан может быть биосигнатурой, но может быть получен и абиотическим путём. Есть и другие, например, недавно обнаруженный фосфин на Венере.
Проблема с отдельными биосигнатурами, такими как метан, заключается в том, что они могут иметь как биологические, так и абиотические источники. На этом рисунке показаны возможные пути попадания метана в атмосферу Марса и его удаления оттуда: микробы (слева) под поверхностью, выделяющие газ в атмосферу, выветривание горных пород (справа) и накопленный метановый лёд, называемый клатратом. Поверхностные материалы могут выделять метан под воздействием ультрафиолетового излучения, которое также может расщеплять его на другие молекулы (формальдегид и метанол) для получения углекислого газа.
Следующий шаг — понимание экосистем в целом. Необходимо учесть огромное количество факторов. Размер клетки, доступность питательных веществ, радиация, солёность, температура, и так далее. Но чтобы понять общую химическую обстановку на Энцеладе, Европе или где-либо ещё, нам нужны более подробные данные.
К счастью, научные приборы продолжают совершенствоваться, и предстоящие полёты к Европе позволят получить более полную картину. По мнению авторов, следующий шаг требует более полных данных и более обобщённого подхода.
«Мы предлагаем два приоритета для дальнейших астробиологических исследований, чтобы лучше понять последствия этих выводов», — пишут они. «Во-первых, мы повторяем предыдущие призывы в литературе по астробиологии к изучению более обобщённых понятий метаболизма и физиологии». Они также предполагают, что поиск прямых параллелей с земной жизнью в виде биохимии может быть не самой лучшей стратегией для поиска жизни на Энцеладе.
«Во-вторых, мы рекомендуем расширить круг аналогов земной среды, включив в него среды с экстремальным соотношением запасов ресурсов, таким же как то, что, как предполагается, есть на Энцеладе», — поясняют они.
Наше понимание обитаемости растёт постепенно, что наглядно демонстрирует данное исследование. Но скорее всего, от новых открытий откровений ждать не стоит.
Природа создала огромное количество миров, каждый из которых имеет свой собственный химический состав. И хотя использование таких инструментов, как соотношение Редфилда, в качестве основы — это один из способов взглянуть на эти миры во всей их уникальной красе, в этом вопросе нельзя допускать зашоренности.
Хотя большинство фантазий о жизни на других мирах причудливы и маловероятны, жизнь на Энцеладе могла найти другой путь развития. Возможно, жизнь может существовать и переделывать химическую среду разными способами.
