Kosmické záření může být živitelem života pod povrchem ledových měsíců Marsu a Saturnu

Vysokoenergetické kosmické záření, které je obvykle považováno za škodlivé pro všechny živé organismy, může naopak vytvářet podmínky pro existenci mikrobiálního života – pod povrchem planet a satelitů s tenkou atmosférou. K tomuto závěru dospěla mezinárodní skupina vědců. Ve své práci zavádějí nový koncept – zónu radiolytické obyvatelnosti, kde zdrojem energie pro život je radiolýza vody způsobená galaktickým kosmickým zářením (GCR).

Autoři zdůrazňují, že ionizující záření může nejen ničit biomolekuly, ale také generovat chemické sloučeniny vhodné pro život. Při vystavení nabitým částicím se voda rozkládá na aktivní radikály, ionty a volné elektrony. Ty se po vstupu do kapalného prostředí „hydratují“ a mohou být mikroorganismy využívány jako zdroj energie, podobně jako rostliny využívají světlo. Tato cesta je na Zemi již známá: například bakterie Desulforudis audaxviator, nalezená v jihoafrickém dole v hloubce 2,8 km, je zcela izolována od slunečního záření a živí se produkty radiolýzy způsobené rozpadem radioaktivních izotopů v hornině.

Na základě numerického modelování vědci vypočítali, kolik energie by takové organismy mohly získat pod povrchem Marsu, Europy a Enceladu. Enceladus se ukázal jako nejpříznivější prostředí: v hloubce asi 2 metrů je možné dosáhnout hustoty mikrobiálních buněk až 4,3×10⁴ buněk na centimetr krychlový a produkce energie ve formě molekul ATP až 4⁵ na gram za sekundu. Pro srovnání, na Marsu byla maximální biomasa 10×8⁻⁴ g/cm² v hloubce 1,1 m a na Europě 10×8⁻⁴ g/cm² v hloubce 2 m.

Radiolýza je autory považována za stabilní a univerzální mechanismus, zejména pro tělesa bez husté atmosféry a magnetického pole. Kosmické záření je schopno proniknout do hloubky několika metrů a spustit kaskádu reakcí, které vedou ke vzniku sekundárních elektronů. Tyto elektrony se mohou podílet na metabolismu mikroorganismů jak formou přímého přenosu, tak i nepřímými reakcemi prostřednictvím organických „nosičových“ molekul.

Řada mikroorganismů, jako například členové rodů Geobacter, Shewanella a fototrofní Rhodopseudomonas palustris, je známá svou schopností zachycovat elektrony přímo z prostředí, a to buď prostřednictvím nanovodivých proteinových struktur, nebo oxidačně-redukčních reakcí s kovy a minerály. Díky těmto vlastnostem jsou možnými modely života, které se mohou živit produkty radiolýzy.

Radiolýza byla dříve vnímána primárně jako způsob rozkladu organických molekul, ale stále více důkazů poukazuje na její roli v syntéze biologicky významných sloučenin. Experimenty ukázaly, že produkty radiolýzy jsou schopné podílet se na syntéze aminokyselin, cukrů, makromolekul a dokonce i železo-sirných klastrů – klíčových prvků v proteinech, které zajišťují metabolické reakce ve známých formách života. Tyto procesy mohly hrát důležitou roli v chemické evoluci na rané Zemi a potenciálně i na jiných tělesech sluneční soustavy.

Mezi tělesy uvažovanými v článku je nejúčinnější Enceladus, který kombinuje vysokou hustotu energie, značnou hloubku pro pronikání záření a přítomnost podpovrchového oceánu, což je naznačeno emisemi hmoty skrz trhliny v ledové kůře. Chemické složení těchto emisí navíc naznačuje přítomnost acetátů – potenciálních zdrojů uhlíku pro mikrobiální život. Podobné sloučeniny byly nalezeny i na povrchu Marsu, kde byly zaznamenány i potenciální podzemní zásobárny vody pod polárními čepičkami.

Autoři zdůrazňují, že vypočítané hodnoty hustoty proudu a energie jsou dostatečné k podpoře aktivity organismů, jako je D. audaxviator, a to i ve srovnání s měřeními energie v jeho přirozeném prostředí (10⁻⁶ –5⁶ eV/g⁻¹ s), zatímco u Enceladu byly získány hodnoty přibližně 10⁻⁶ eV/g⁻¹ s. Poznamenávají však, že současné hodnoty hustoty proudu (∼6⁻¹² A/cm²) jsou o několik řádů nižší než hodnoty prokázané mikroorganismy v laboratorních podmínkách. To znamená, že k potvrzení hypotézy jsou zapotřebí další experimenty.

Tato práce poprvé navrhla formální definici radiolytické obyvatelné zóny (RHZ) – oblasti pod povrchem, kde je energie z radiolýzy dostatečná k podpoře metabolismu. Tyto zóny byly kvantifikovány, včetně možného počtu bakteriálních buněk na centimetr krychlový: maximálně 4,3×10⁴ buněk/cm³ na Enceladu, 4⁴ na Marsu a 3×10⁴ na Europě.

Tato práce rozšiřuje hranice hledání života ve sluneční soustavě. Pokud se dříve pozornost soustředila na podmínky na povrchu – přítomnost vody a tepla, nyní se otevírá možnost existence života i na chladných a tmavých místech, pokud je tam voda a proud ionizujícího záření. Autoři zdůrazňují, že v budoucích misích by se měla věnovat zvláštní pozornost studiu podpovrchových vrstev. V případě Marsu se jedná o oblasti pod polárními čepičkami, na Europě o oblasti s tenkou ledovou kůrou, na Enceladu o zóny v blízkosti aktivních trhlin v jižní polární oblasti, kde tloušťka ledu může dosáhnout i několika kilometrů.

Navrhované mise jako Europa Clipper, Mars Life Explorer a Enceladus Orbilander budou schopny poprvé otestovat existenci radiolitické obyvatelnosti pomocí radaru, vrtání a kompoziční analýzy.