Признаки жизни? Процесс производства метана в плюмах Энцелада Луны Сатурна

Гигантские водяные шлейфы, извергающиеся с Энцелада, давно очаровывают ученых и общественность, вдохновляя на исследования и предположения об огромном океане, который, как считается, зажат между скалистым ядром Луны и ее ледяной оболочкой. Пролетая сквозь шлейфы и собирая пробы их химического состава, космический аппарат «Кассини» обнаружил относительно высокую концентрацию определенных молекул, связанных с гидротермальными источниками на дне океанов Земли, в частности, дигидрогена, метана и углекислого газа. Количество метана, обнаруженного в шлейфах, было особенно неожиданным.

«Мы хотели знать: могут ли земные микробы, которые« поедают »дигидроген и производят метан, объяснять удивительно большое количество метана, обнаруженное Кассини?» сказал Регис Ферриер, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Университета Аризоны и один из двух ведущих авторов исследования. «Поиск таких микробов, известных как метаногены, на морском дне Энцелада потребует чрезвычайно сложных глубоководных миссий, которых не будет видно уже несколько десятилетий».

Ферриер и его команда построили математические модели для расчета вероятности того, что различные процессы, включая биологический метаногенез, могут объяснить данные Кассини.

Они применили новые математические модели, сочетающие геохимию и микробную экологию, для анализа данных о шлейфе Кассини и моделирования возможных процессов, которые лучше всего объясняли бы наблюдения. Они приходят к выводу, что данные Кассини согласуются либо с микробной гидротермальной деятельностью, либо с процессами, которые не связаны с формами жизни, но отличаются от тех, которые, как известно, происходят на Земле.

На Земле гидротермальная активность происходит, когда холодная морская вода просачивается на дно океана, циркулирует через подстилающую породу и проходит вблизи источника тепла, такого как магматический очаг, прежде чем снова извергнуться в воду через гидротермальные жерла. На Земле метан может производиться в результате гидротермальной деятельности, но медленными темпами. Большая часть производства происходит за счет микроорганизмов, которые используют химическое неравновесие гидротермально произведенного дигидрогена в качестве источника энергии и производят метан из углекислого газа в процессе, называемом метаногенезом.

Команда рассмотрела состав плюмажа Энцелада как конечный результат нескольких химических и физических процессов, происходящих внутри Луны. Во-первых, исследователи оценили, какое гидротермальное производство дигидрогена лучше всего соответствует наблюдениям Кассини, и может ли это производство обеспечить достаточно «пищи» для поддержания популяции земных гидрогенотрофных метаногенов. Для этого они разработали модель динамики популяции гипотетического гидрогенотрофного метаногена, тепловая и энергетическая ниша которого была смоделирована на основе известных штаммов с Земли.

Затем авторы запустили модель, чтобы увидеть, могут ли заданные химические условия, такие как концентрация дигидрогена в гидротермальном флюиде и температура, обеспечить подходящую среду для роста этих микробов. Они также рассмотрели, какое влияние гипотетическая популяция микробов окажет на окружающую среду — например, на скорость утечки дигидрогена и метана в шлейфе.

«Таким образом, мы могли бы не только оценить, совместимы ли наблюдения Кассини с окружающей средой, пригодной для жизни, но мы также могли бы сделать количественные прогнозы относительно ожидаемых наблюдений, если метаногенез действительно произойдет на морском дне Энцелада», — объяснил Ферьере.

Результаты показывают, что даже самая высокая возможная оценка абиотического производства метана — или производства метана без биологической помощи — основанная на известной гидротермальной химии, далеко не достаточна для объяснения концентрации метана, измеренной в шлейфах. Однако добавление к смеси биологического метаногенеза могло бы произвести достаточно метана, чтобы соответствовать наблюдениям Кассини.

«Очевидно, мы не делаем вывод о существовании жизни в океане Энцелада», — сказал Ферриер. «Скорее, мы хотели понять, насколько вероятно, что гидротермальные жерла Энцелада станут обитаемыми для земноподобных микроорганизмов. Скорее всего, данные Кассини говорят нам, согласно нашим моделям.

«И биологический метаногенез, похоже, согласуется с данными. Другими словами, мы не можем отбросить «жизненную гипотезу» как маловероятную. Чтобы отвергнуть гипотезу о жизни, нам нужно больше данных из будущих миссий », — добавил он.

Авторы надеются, что их статья послужит руководством для исследований, направленных на лучшее понимание наблюдений, сделанных Кассини, и что она поощряет исследования по выяснению абиотических процессов, которые могут производить достаточно метана для объяснения данных.

Например, метан может образоваться в результате химического разложения первичного органического вещества, которое может присутствовать в ядре Энцелада и которое может быть частично превращено в дигидроген, метан и углекислый газ в результате гидротермального процесса. Эта гипотеза очень правдоподобна, если окажется, что Энцелад образовался в результате аккреции богатого органическими веществами материала, поставляемого кометами, объяснил Ферриер.

«Отчасти это сводится к тому, насколько вероятны, по нашему мнению, разные гипотезы с самого начала», — сказал он. «Например, если мы посчитаем вероятность существования жизни на Энцеладе чрезвычайно низкой, тогда такие альтернативные абиотические механизмы станут гораздо более вероятными, даже если они очень чуждые по сравнению с тем, что мы знаем здесь, на Земле».

По мнению авторов, очень многообещающее продвижение статьи заключается в ее методологии, поскольку она не ограничивается конкретными системами, такими как внутренние океаны ледяных лун, и открывает путь к работе с химическими данными с планет за пределами Солнечной системы по мере их превращения. доступны в ближайшие десятилетия.