Ледяные выбросы Энцелада могут сами концентрировать возможные следы жизни
Ледяные выбросы спутника Сатурна Энцелада могут естественным образом разделять и концентрировать вещества из скрытого под поверхностью океана, облегчая поиск возможных следов жизни. Анализ данных аппарата Cassini показал, что капли океанской воды замерзают не мгновенно, а достаточно медленно для разделения растворённых солей и органических веществ. Отдельный лабораторный эксперимент показал, что земная метаногенная архея способна расти в смоделированных условиях океана Энцелада даже при щёлочности до pH 11. Ни одно из исследований не обнаруживает жизнь на спутнике, но оба результата показывают, что такие организмы теоретически могут существовать в подобных условиях, а их следы могут оказаться доступнее для будущих аппаратов.
Энцелад считается одним из наиболее перспективных объектов Солнечной системы для поиска внеземной жизни. Под его ледяной корой находится глобальный океан жидкой воды, контактирующий с каменным дном. Из трещин около южного полюса водяной пар и частицы льда выбрасываются на сотни километров в космос. Аппарат Cassini несколько раз пролетал через эти струи и непосредственно анализировал их состав, обнаружив соли, органические соединения и признаки гидротермальных процессов.
В новой работе международная группа под руководством Франка Постберга из Свободного университета Берлина повторно исследовала измерения анализатора космической пыли Cassini. Учёные использовали около 1000 масс-спектров отдельных богатых солями ледяных частиц, считающихся замёрзшими каплями подповерхностного океана Энцелада. Анализ выявил большое химическое разнообразие частиц: в разных зёрнах преобладали хлориды, карбонаты, фосфаты, гидроксиды и другие соли.
Лабораторные эксперименты и термодинамические расчёты показали, как может возникать такое разделение. Оно происходит, если исходные капли имеют размер более 10 микрометров и охлаждаются медленнее чем примерно на 20 кельвинов в минуту. Авторы предполагают, что первоначально в трещинах образуются капли размером в десятки или сотни микрометров. Пока они постепенно замерзают, разные растворённые вещества кристаллизуются в разных частях капли.
Затем движение газа ускоряет замёрзшие капли в узких ледяных каналах до скоростей свыше 100 метров в секунду. Столкновения со стенками дробят их на значительно более мелкие частицы размером в несколько микрометров. В результате отдельное выброшенное в космос ледяное зерно может содержать преимущественно один тип соли или другой компонент океанской воды в заметно повышенной концентрации. Именно такую картину наблюдал Cassini.
Для поиска жизни этот механизм особенно интересен. Если капля океанской воды содержала молекулы или клеточный материал микроорганизмов, при замерзании они также могут отделиться от части остальных компонентов. После дробления такие вещества окажутся лишь в небольшой доле выбрасываемых частиц, но в конкретном ледяном зерне их концентрация может быть значительно выше, чем в исходной воде. Поэтому будущему аппарату потребуется анализировать большое количество отдельных зёрен, однако подходящая частица потенциально может содержать сравнительно концентрированный набор биологических маркеров.
Вторая работа, опубликованная одновременно в Science Advances, проверяет другую сторону проблемы — способен ли земной организм вообще использовать предполагаемые химические условия океана Энцелада. Исследователи воспроизвели в лаборатории сильно щёлочную, богатую карбонатами и практически бескислородную среду, а также химическое взаимодействие воды с минералами каменного дна. В неё поместили Methanothermococcus okinawensis — метаногенную архею, обитающую на Земле около глубоководных гидротермальных источников.
Этот микроорганизм получает энергию без кислорода, используя водород и углекислый газ. Высокая щёлочность создаёт для такого метаболизма серьёзную проблему: при высоком pH концентрация доступного растворённого CO₂ становится чрезвычайно низкой. В обычной питательной среде при таких условиях рост организма прекращался. Однако в химической модели океана Энцелада архея продолжала расти вплоть до pH 11 и производить метан.
Анализ активности генов показал, что клетки приспособились к недостатку углекислого газа, усилив работу биохимического пути, позволяющего эффективнее связывать CO₂ при его очень низкой концентрации. При этом источником энергии служил водород, который образовывался без участия живых организмов в результате реакций между модельной водой Энцелада и минералами. Таким образом, эксперимент показал, что геохимия спутника теоретически способна поддерживать один из древних типов земного метаболизма даже в более щёлочной среде, чем ранее удавалось продемонстрировать для этого микроорганизма.
Результат не означает, что в океане Энцелада действительно существуют метаногены или какие-либо другие организмы. Исследователи проверяли земной микроорганизм в лабораторной модели среды, состав которой построен на данных и оценках химии спутника. Эксперимент показывает лишь, что сильная щёлочность и нехватка доступного CO₂ сами по себе не обязательно исключают подобный метаболизм.
Обе работы имеют непосредственное значение для будущих миссий. Поскольку Энцелад сам выбрасывает материал своего океана в космос, аппарату не обязательно бурить многокилометровую ледяную оболочку. Новые результаты показывают, что наиболее информативным может быть анализ большого числа отдельных ледяных частиц, а не усреднённого состава всего выброса. Европейское космическое агентство рассматривает будущую миссию к Энцеладу, одной из задач которой должен стать поиск признаков обитаемости и возможных биологических следов.
Исследования в журнале Science Advances.