Статус Энцелада как цели в поисках жизни продолжает расти. Мы уже много лет знаем, что шлейфы, извергающиеся из океана под ледяной оболочкой Луны, содержат важные органические соединения, связанные с жизнью. Теперь исследователи обнаружили в шлейфах еще одно химическое вещество, которое не только высокотоксично, но и имеет решающее значение для возникновения жизни.
Космический корабль Кассини провел 13 лет в системе Сатурна, прежде чем завершил свою миссию в 2017 году. Среди его многочисленных открытий были шлейфы, извергающиеся со спутника Сатурна Энцелада. Изображения перьев являются знаковыми.
Но то, что содержится в шлейфах, действительно привлекло внимание ученых. Кассини обнаружил такие соединения, как углекислый газ, метан, вода и аммиак. Также были обнаружены соли, что указывает на то, что океан соленый. Теперь исследователи, работающие с данными Кассини, обнаружили в шлейфах цианистый водород.
Большинству из нас известно, что цианистый водород чрезвычайно ядовит. Оно сыграло свою роль в одном из самых отвратительных эпизодов в истории человечества. Но у цианистого водорода (HCN) есть и другая сторона, которая, по мнению ученых, важна для появления жизни. Он может действовать как предшественник нуклеиновых кислот и аминокислот.
«Наша работа предоставляет дополнительные доказательства того, что на Энцеладе находятся некоторые из наиболее важных молекул как для создания строительных блоков жизни, так и для поддержания этой жизни посредством метаболических реакций», — сказал Джона Питер, докторант Гарвардского университета. Питер — ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy. «Мало того, что Энцелад, кажется, отвечает основным требованиям для обитаемости, теперь у нас есть представление о том, как там могут образовываться сложные биомолекулы и какие химические пути могут в этом участвовать», — добавил Питер.
Аминокислоты являются важными строительными блоками жизни. Они являются основной единицей белков, которые представляют собой длинные цепочки аминокислот. В природе существует более 500 сотен белков, но только 22 являются частью генетического кода. HCN чрезвычайно универсален и участвует во всех аминокислотах, поэтому его присутствие в океанах Энцелада интригует.
«Открытие цианистого водорода было особенно захватывающим, поскольку оно является отправной точкой для большинства теорий происхождения жизни», — сказал Питер.
Ученые работали с данными Кассини в течение многих лет, но предыдущие исследования шлейфов не выявили никакого HCN. «Последний опубликованный список нейтральных газов, подтвержденный в шлейфе, состоит только из H2O, CO2, CH4, NH3 и H2», — пишут авторы в своей статье.
Определение того, какие химические вещества «Кассини» почувствовал на Энцеладе, было задачей ионно-нейтрального масс-спектрометра (INMS), важной части набора инструментов «Кассини». Некоторые из этих химических веществ присутствуют в небольших количествах, и их трудно различить в данных INMS. «Трудность в разрешении второстепенных компонентов шлейфа связана с большим количеством вероятных соединений по сравнению с низким разрешением по массе INMS».
Ученые берут данные из INMS и пытаются сопоставить их с моделями известных химических веществ и соотношений. Это сложная работа. «Модели спектров INMS страдают от дополнительной сложности, поскольку сигналы, создаваемые отдельными молекулами, не обязательно линейно независимы», — объясняют авторы. «Таким образом, может существовать несколько различных комбинаций видов, которые одинаково хорошо соответствуют данным».
Это означает, что потребовалось немало усилий, чтобы найти HCN. И как бы исследователи ни пытались найти альтернативное объяснение увиденному, им это не удалось.
«Существует множество потенциальных частей головоломки, которые можно соединить вместе, пытаясь сопоставить наблюдаемые данные», — сказал Питер. «Мы использовали математическое и статистическое моделирование, чтобы выяснить, какая комбинация частей головоломки лучше всего соответствует составу шлейфа и максимально эффективно использует данные, не допуская чрезмерной интерпретации ограниченного набора данных».
«Чем больше мы пытались найти дыры в наших результатах, проверяя альтернативные модели, — добавил Питер, — тем убедительнее становились доказательства. В конце концов стало ясно, что невозможно подобрать состав шлейфа без включения цианида водорода».
Открытие HCN в шлейфах Энцелада важно, потому что это своего рода «швейцарский армейский нож» пребиотических молекул. Его универсальность означает, что его можно собирать разными способами, что приводит к образованию множества различных аминокислот. «Полимеризация HCN участвует в ряде потенциальных путей образования нуклеиновых оснований и аминокислот», — пишут исследователи в своей статье.
Чтобы HCN творил свое химическое волшебство, между шлейфами и океаном должна существовать некоторая обратная связь. Материал из океана может откладываться на ледяную поверхность, где подвергается фотохимической обработке. Если на некоторые из этих материалов будет воздействовать достаточно ультрафиолета, то HCN и другие компоненты шлейфов могут производить предшественники РНК и аминокислот. Затем эти недавно произведенные химические вещества смогут вернуться сквозь лед в океан.
Ученые не знают наверняка, происходит ли это. «Эффективность этого типа химии в условиях, подобных Энцеладу, можно будет изучить в будущих экспериментальных исследованиях», — объясняют исследователи, — «в то время как более детальное изучение океанического материала Энцелада потребует будущих роботизированных миссий».
Хотя обнаружение HCN на Энцеладе является захватывающим событием, это еще не все, что обнаружили исследователи.
Предыдущие исследования обнаружили в шлейфах Энцелада углекислый газ, метан и водород. Вместе они предполагают, что метаногенез происходит в лунном океане. Метаногенез — это метаболический процесс, в результате которого образуется метан, а метаногены — это формы жизни, осуществляющие метаногенез. Метаногенез распространен на Земле и происходит только в средах с низким содержанием кислорода. Метаногены возникли на ранней Земле, и обнаружение этих химических веществ на Энцеладе позволяет предположить, что примитивные метаногены могли быть активными в океане Луны.
Но в ходе нового исследования Питер и его коллеги обнаружили множество окисленных соединений. Это указывает на то, что кислород активен в океане и что жизнь может использовать разные энергетические пути. Формы жизни, использующие кислород, имеют в своем распоряжении гораздо больше энергии, чем те, которые полагаются на метаногенез.
«Если с точки зрения энергии метаногенез подобен маленькой часовой батарейке, то наши результаты показывают, что океан Энцелада может предложить нечто более похожее на автомобильный аккумулятор, способный обеспечить большое количество энергии для любой жизни, которая может присутствовать», сказал Кевин Хэнд из JPL, соавтор исследования и главный исследователь усилий, которые привели к новым результатам.
Энцелад становится все более интригующим местом. Его химический состав предполагает, что в лунном океане есть все необходимое для жизни. Возможно, там уже есть жизнь. «В целом представленные здесь результаты показывают, что на Энцеладе существует многофазная и разнообразная по составу химическая среда, которая соответствует обитаемому подземному океану», — пишут авторы.
Но мы еще многого не знаем. Таким образом, хотя эти результаты впечатляют, более глубокое понимание все еще находится за пределами нашей досягаемости.
Нам нужна миссия на Энцелад.
