Источник энергии работает без Солнца и тепла — почему он меняет представления о жизни во Вселенной

В астробиологии долгое время доминировал геоцентричный подход: для существования жизни нужен солнечный свет или геотермальное тепло. Однако существование земной бактерии Desulforudis audaxviator, обнаруженной в полной изоляции в южноафриканской шахте на глубине 2,8 км, опровергает это мнение. Этот организм не зависит от фотосферы Солнца — его метаболизм построен на энергии радиоактивного распада урана в окружающей породе.

Фото: pixabay.com by Terranaut is licensed under Free for use under the Pixabay Content License

Энергия планет

Новое исследование, опубликованное в International Journal of Astrobiology, предлагает перенести этот механизм с Земли на масштабы Солнечной системы. Группа ученых под руководством Димитры Атри рассмотрела концепцию радиолитической обитаемой зоны (Radiolytic Habitable Zone, RHZ). Согласно их расчетам, космическая радиация, традиционно считающаяся главным препятствием для жизни, может служить необходимым источником энергии в подповерхностных слоях Марса, Европы и Энцелада.

Механика процесса: от частицы к клетке

В основе гипотезы лежит процесс радиолиза воды. Галактические космические лучи (ГКЛ) — это поток частиц высоких энергий, пронизывающий все пространство нашей галактики. Сталкиваясь с поверхностью небесного тела, эти частицы проникают вглубь льда или реголита и передают свою энергию молекулам воды.

В результате ионизации вода распадается, образуя химически активные продукты: водород (H₂), перекись водорода (H₂O₂) и сольватированные электроны. Для биологических систем последние представляют особый интерес.

Исследователи указывают на механизм прямой электротрофии. Некоторые земные микроорганизмы (например, рода Shewanella) способны поглощать электроны из внешней среды, используя их для восстановления углерода и генерации АТФ. Бактерии могут делать это через прямой контакт или с помощью специализированных токопроводящих белковых филаментов (нанопроводов). В контексте RHZ космические лучи выступают генератором, создающим в толще льда постоянный приток свободных носителей заряда, необходимых для микробного метаболизма.

Моделирование биосферы: Энцелад, Марс, Европа

Для оценки энергетического потенциала радиолиза авторы использовали программный пакет GEANT4 — инструмент, широко применяемый в ядерной физике для моделирования прохождения частиц через вещество. Ученые рассчитали глубину проникновения ГКЛ и количество генерируемой энергии, а затем конвертировали эти данные в потенциальную плотность бактериальной биомассы.

Результаты расчетов выстраивают четкую иерархию приоритетных целей для поиска жизни:

• Энцелад. Спутник Сатурна показал наивысший потенциал. Расчеты демонстрируют, что плотность бактериальных клеток здесь может достигать 4,3×10⁴ (43 000) клеток на кубический сантиметр на глубине около двух метров. Сочетание ледяной коры и специфики радиационного фона системы Сатурна создает наиболее благоприятные условия для радиолиза.
• Марс. Несмотря на отсутствие глобального магнитного поля и тонкую атмосферу, подповерхностные слои полярных шапок Марса способны поддерживать микробную активность. Пик выработки биомассы (10⁴ клеток/см³) приходится на глубину 60 сантиметров, где радиация все еще интенсивна, но слой грунта защищает органику от мгновенного разрушения.
• Европа. Ледяная луна Юпитера, несмотря на мощнейший радиационный фон, оказалась на третьем месте. Чрезмерно высокая энергия частиц в радиационных поясах Юпитера создает агрессивную среду, где баланс между производством энергии и радиационным повреждением клеток смещается в опасную сторону. Оптимальная зона здесь находится глубже — около одного метра.

Пересмотр границ обитаемости

Введение понятия радиолитической обитаемой зоны меняет принципы поиска внеземной жизни. Традиционные модели фокусируются на наличии жидкой воды и теплового градиента. Модель RHZ доказывает, что даже в отсутствие вулканической активности или солнечного света, само наличие воды и космического излучения создает условия для синтеза пребиотических молекул и поддержания метаболизма.

Радиолиз не только поставляет энергию, но и способствует абиотическому синтезу сложных органических соединений (аминокислот, сахаров) из простых компонентов вроде углекислого газа (CO₂) и метана. Получается, космические лучи решают две задачи одновременно: создают строительные блоки жизни и обеспечивают топливо для ее функционирования.

Выводы для будущих миссий

Работа группы Атри накладывает конкретные требования на архитектуру будущих космических миссий. Поиск жизни на Марсе (ExoMars), Европе (Europa Clipper) и Энцеладе (Orbilander) должен включать инструменты для анализа подповерхностной химии на глубинах от 0,5 до 3 метров.

Мы десятилетиями боялись радиации, видя в ней барьер для экспансии. Оказалось, что она же может быть источником жизни. Возможно, Вселенная гораздо более обитаема, чем нам казалось, просто её обитатели предпочитают не греться в лучах звезд, а завтракать их осколками в тишине и темноте ледяных пещер.

В конечном счете, если крошечная бактерия в южноафриканской шахте смогла приручить энергию распада атома, было бы самонадеянно думать, что этого не сделал кто-то еще в бесконечных океанах Энцелада.