Что мы можем найти в мирах океанов Европы?

В «Космической Одиссее: 2001» Артура Кларка суперкомпьютер HAL оставляет последнюю инструкцию экипажу «Дискавери: «Все эти миры ваши, кроме Европы, не пытайтесь там приземлиться». Что мы можем там найти? Найти доказательства существования жизни или хотя бы то, какими должны быть эти доказательства?

Возможные признаки внеземной жизни варьируются в широком диапазоне. К примеру, стенки клеток или мембраны, сделанные из простейших гидрокарбонатов, прячут в себе самые успешные формы жизни на нашей планете: бактерии. Толстые цепи кислот углерода, водорода и кислорода — признак процессов биосинтеза на Земле. Определенные белки вроде ДНК могут возникнуть только из активных биологических процессов. Что же общего у всех этих процессов и структур? Все они используют энергию.

Авторы работы под названием «The Fuel Cell Model of Abiogenesis: A New Approach to Origin-of-Life Simulations», опубликованной в журнале Astrobiology, предполагают, что вместо того, чтобы сосредоточиться исключительно на структуре жизни, нам нужно также искать первичные процессы жизни: транспорт энергии. Чтобы доказать свою точку зрения, авторы создали миниатюрные метаболические топливные элементы из элементов (простите за тавтологию), которые были доступны для земной жизни в самом начале ее развития.

Если просто, это топливные системы, которые превращают кислород и водород в воду, высвобождая в процессе этого энергию.

«Вы можете использовать электрохимические методы для имитации планетарной системы морского дна и некоторых реакций для развития жизни, поскольку многие геологические и биологические системы функционируют так же, как топливные элементы, — рассказал доктор Лори Барж, ведущий автор и исследователь Института астробиологии NASA. — Гидротермальный источник является геохимическим топливным элементом, поскольку он может управлять передачей электронов от гидротермального топлива окислителям в морской воде, генерируя электрический ток в трубе из осажденных минералов».

Вся жизнь — растения, животные и бактерии — использует энергетические системы, основанные на электронах, проходящих рядом. Одна молекула теряет электрон, другая его принимает. Эта реакция также называется редоксом, коротко от «окислительно-восстановительной».

Везде, где есть обилие воздуха и пресной воды, жизнь формирует ручные электроны, которые легко могут принять разные молекулы — кислород и углекислый газ. Клетки животных окисляют сахар, и кислород получает электрон. Растения окисляют воду, вырабатывая кислород в серии реакций, известных нам как фотосинтез.

В отличие от животных и растений, бактерии возле гидротермальных источников окружены элементами, которые любят терять электроны — железом и никелем. Треть тепла от подводных вулканов и источников отправляется в бактериальное сообщество. И это сообщество использует тепло и металлы, чтобы выжить, используя процесс под названием хемосинтез. Эксперименты Баржа пытаются имитировать ситуацию, в которой геохимия таких систем может способствовать появлению жизни, предоставляя достаточно энергии для запуска метаболических реакций даже при отсутствии кислорода и света.

«Вполне возможно, что другие миры, вроде Европы или Энцелада, могут поддерживать такие химические реакции между океанами и каменистым дном, вырабатывая электрический потенциал и градиенты pH», — говорит Барж.

Если мы прикинем приливное отопление на Европе, результатом экспериментов Баржа станет электрификация. Хемосинтез на Земле показал, что может поддерживать рост не только бактерий, но также креветок, кольчатых червей и других морских существ. Теперь, когда Баржу и его команде удалось успешно завершить эксперименты с распространенными на ранней Земле минералами, они могут имитировать геоэлектрохимические системы в других мирах, которые также могли обладать океанами и каменистым океаническим дном: Европа, Энцелад, Марс.

«Если бы мы могли знать состав океана Европы, океанической коры и гидротермальной жидкости, мы могли бы построить топливный элемент для моделирования выработки энергии в таком мире».

Некоторые минералы могут форсировать геологическую реакцию редокса, что позднее приводит к биологическому метаболизму. Мы особенно заинтересованы в электропроводящих минералах, содержащих железо и никель, которые были распространены на ранней Земле.

Доктор Терри Ки из Школы химии университета Лидса, один из соавторов исследования, говорит следующее:

«Мы пытаемся сократить разрыв между геологическими процессами на ранней Земле и возникновением биологической жизни на этой планете».

Ранее отдельные ученые предположили, что некоторые живые организмы могли быть перевезены на Землю метеоритами. Тем не менее есть также теория, что жизнь возникла на Земле возле гидротермальных источников на дне океана, образовавшись из неживой материи, а точнее из химических соединений, найденных в газах и минералах.

«До биологической на Земле была геологическая жизнь. Может показаться необычным рассматривать геологию, включая неодушевленные горные породы и минералы как живые. Но что такое жизнь?»

Многие люди не смогли придумать удовлетворительного ответа на этот вопрос. Мы сделали наоборот — мы рассмотрели то, как жизнь и формы жизни используют одни и те же химические процессы, которые происходят в топливных элементах, и производят энергию».

Топливные элементы в автомобилях вырабатывают электрическую энергию с помощью реакции топлива и окислителей. Это пример реакции редокса, когда одна молекула теряет электроны (окисляется), а другая их приобретает, то есть восстанавливается.

Аналогичным образом фотосинтез в растениях включает выработку электроэнергии восстановлением двуокиси углерода до сахара и окислением воды в молекулярный кислород. Дыхание в клетках человеческого тела — это окисление сахара в оксид углерода и восстановление кислорода в воду, которое вырабатывает энергию в процессе этой реакции.

Некоторые геологические среды вроде гидротермальных источников можно рассматривать как экологические топливные элементы, так как реакция редокса происходит между гидротермальным топливом и окислителями в морской воде, вроде кислорода.

В новом исследовании японские ученые продемонстрировали доказательство концепции для модели топливных элементов на примере клеточного метаболизма на Земле. Команда Университета Лидса заменила обычные платиновые катализаторы в топливных элементах геологическими минералами.

Железо и никель намного менее активны, чем платина. Тем не менее небольшой, но важный выход энергии показал, что эти металлы все еще могут генерировать электричество в топливных элементах, а следовательно действуют в качестве катализаторов для окислительно-восстановительных реакций в гидротермальных системах Земли.

В настоящее время химия того, как геологические реакции, движимые неодушевленными породами и минералами, превратились в процессы биологического метаболизма, крайне темна. Но с лабораторным моделированием этих процессов ученые сделали важный шаг вперед к пониманию происхождения жизни на этой планете и нащупали возможность повторения подобного в других мирах.

Доктор Барж говорит: «Эти эксперименты имитируют производство электроэнергии в геологических системах, поэтому мы можем также имитировать другие среды планет с жидкой водой, вроде спутника Юпитера Европы или юного Марса. С помощью этих методов мы на практике испытываем, может ли гидротермальная система произвести достаточно энергии, чтобы дать начало жизни или даже обеспечивать энергией обитель жизни до тех пор, пока мы ее не найдем».