Железная ржавчина как ключ к поиску внеземной жизни

Окисление железа — обычная химическая реакция. На Земле она часто сигнализирует о присутствии микроорганизмов, которые получают энергию, манипулируя атомами железа. Исследователи утверждают, что эти микробные "производители ржавчины" могут стать одними из самых перспективных биосигнатур для обнаружения жизни на Марсе и ледяных лунах внешней Солнечной системы.

Лаура Тенеланда-Осорио и коллеги из Тюбингенского университета (Германия) подготовили обширный обзор о том, как железоокисляющие бактерии оставляют отличительные следы в горных породах и минералах, и почему эти следы важны для астробиологии. Исследование, опубликованное в Earth-Science Reviews, связывает десятилетия земной микробиологии с практическими задачами поиска жизни за пределами Земли.

Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе, и земные микроорганизмы выработали удивительно разнообразные способы его использования. Одни бактерии окисляют двухвалентное железо для получения энергии, по сути "дыша" железом, как люди дышат кислородом. Другие восстанавливают трехвалентное железо, используя его как конечный акцептор электронов в метаболизме. Эти процессы не происходят изолированно. Микробы, метаболизирующие железо, связывают его с циклами углерода и азота, сопрягая превращения железа с фиксацией CO₂, разложением органики и даже фотосинтезом.

Побочные продукты этих микробных реакций создают так называемые биогенные оксигидроксидные минералы железа. Это не тонкие следы. Организмы, процветающие в нейтральных условиях (pH) и окисляющие железо, производят характерные структуры: скрученные стебли, трубчатые чехлы и нитевидные сети из железных минералов, смешанных с органическими соединениями. Минералы осаждаются по мере работы бактерий, образуя ржавые отложения, которые могут сохраняться в геологической летописи миллиарды лет.

Эта долговечность делает железные биосигнатуры особенно привлекательными для планетарных исследований. В отличие от хрупких органических молекул, которые разрушаются под действием радиации и агрессивной химии, минерализованные железные структуры могут выжить. Исследователи идентифицировали эти биосигнатуры в средах от гидротермальных источников на дне океана до наземных почв, от кислых шахтных вод до нейтральных пресноводных источников. Везде, где жидкая вода контактирует с железосодержащими породами, железометаболизирующие бактерии обычно находят себе место.

Марс — очевидная цель. Характерный красный цвет планеты обусловлен окисленным железом в поверхностной пыли и породах. В древности на Марсе была жидкая вода, а космические аппараты зафиксировали богатые железом минералы по всей геологической летописи. Если микробная жизнь когда-либо эволюционировала на Марсе, метаболизм железа мог бы стать доступным источником энергии. Минералы, которые могли произвести эти гипотетические организмы, могут до сих пор существовать, запертые в древних осадках, ожидая обнаружения роверами с нужными инструментами.

Ледяные луны Европа и Энцелад предлагают другие, но столь же убедительные возможности. Обе скрывают подледные океаны под ледяной коркой. Океан Европы, вероятно, контактирует с каменистым дном, где взаимодействие воды и пород высвобождает растворенное железо. Энцелад активно выбрасывает материал океана через ледяные гейзеры на южном полюсе. Концепции миссий предлагают брать пробы этих шлейфов или садиться рядом с гейзерами, анализируя выброшенные частицы на предмет железных минералов, которые могут выдать биологическое происхождение.

В обзоре подчеркивается, что распознавание биогенных железных минералов требует понимания того, как они образуются, какие текстуры создают и чем отличаются от абиогенных железных осадков. Планировщикам миссий необходимо оснащать космические аппараты инструментами, способными обнаруживать не просто железные минералы в целом, а специфические морфологические и химические сигнатуры, которые отличают биологию от геологии.

Ставки высоки. Обнаружение железных биосигнатур в другом мире не просто подтвердит существование жизни в другом месте, но и покажет, что та же фундаментальная химия, поддерживающая глубокую биосферу Земли, действует по всей Солнечной системе.