Железо ржавеет. На Земле эта заурядная химическая реакция часто указывает на нечто куда более интересное, чем просто коррозия металла, — например, на живые микроорганизмы, которые существуют за счет преобразования ионов железа. Сегодня исследователи полагают, что эти микробы, создающие ржавчину, могут стать одним из самых перспективных индикаторов для обнаружения жизни на Марсе и ледяных спутниках внешней Солнечной системы.
Геомикробиологи из Тюбингенского университета подготовили всеобъемлющий обзор о том, как железобактерии оставляют уникальные следы в горных породах и минералах, и почему эти следы важны для астробиологии. Исследование, опубликованное в журнале Earth-Science Reviews, соединяет десятилетия земной микробиологии с практическими задачами поиска жизни за пределами нашей планеты.
Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе, и земные микроорганизмы развили удивительно разнообразные способы его использования. Одни бактерии окисляют двухвалентное железо, чтобы получить энергию, по сути «дыша» железом так же, как люди дышат кислородом. Другие восстанавливают трехвалентное железо, используя его в качестве конечного акцептора электронов в своем метаболизме. Эти процессы не происходят изолированно. Метаболизирующие железо микроорганизмы интегрируют его в циклы углерода и азота, сопрягая превращения железа с фиксацией углекислоты, разложением органики и даже фотосинтезом.
Побочными продуктами этих биохимических реакций становятся биогенные минералы — оксигидроксиды железа. Это не едва заметные следы. Организмы, которые процветают в нейтральной среде и окисляют железо, производят характерные структуры: скрученные стебли, трубчатые чехлы и нитевидные сети из железных минералов, смешанных с органическими соединениями. Минералы осаждаются в процессе жизнедеятельности бактерий, образуя ржавые отложения, способные сохраняться в геологической летописи миллиарды лет. Эта долговечность делает железосодержащие биосигнатуры особенно ценными для планетарных исследований. В отличие от хрупких органических молекул, которые разрушаются под воздействием радиации и агрессивной химической среды, минерализованные железные структуры могут уцелеть.
Исследователи обнаружили эти биосигнатуры в самых разных средах — от гидротермальных источников на океанском дне до наземных почв, от кислых шахтных стоков до пресноводных родников с нейтральной водой. Везде, где вода контактирует с железосодержащими породами, могут найти себе пристанище перерабатывающие железо бактерии.
Самая интересная цель в этом контексте — Марс. Его характерный красный цвет обусловлен окисленным железом в поверхностной пыли и породах. В далеком прошлом там была жидкая вода, а космические аппараты зафиксировали богатые железом минералы по всей его геологической летописи. Если микробная жизнь когда-либо и возникала на Марсе, метаболизм на основе железа мог быть для нее доступным источником энергии. Минералы, которые произвели бы эти гипотетические организмы, могут до сих пор сохраняться в древних осадочных породах, ожидая своего открытия оснащенными подходящими приборами марсоходами.
Другие, но не менее интересные возможности могут скрывать ледяные спутники Европа и Энцелад. На обоих глубоко под ледяной коркой плещется вода. Океан Европы, вероятно, контактирует с каменным морским дном, где взаимодействие воды и пород высвобождает растворенное железо. Энцелад же активно выбрасывает материал своего океана через гейзеры в районе южного полюса. Существуют концепции миссий, предлагающие взять пробы из этих струй или совершить посадку рядом с жерлами, чтобы проанализировать выброшенные частицы на предмет железных биосигнатур.
В обзоре подчеркивается, что для распознавания биогенных железных минералов необходимо понимать, как они формируются, какие текстуры создают и чем отличаются от минералов, образовавшихся абиогенным путем. Разработчикам космических зондов следует оборудовать их приборами, способными обнаруживать не просто соединения железа, а минералы со специфическими морфологическими и химическими признаками.
Ставки высоки. Обнаружение железных биосигнатур на другом небесном теле не только доказало бы существование внеземной жизни, но и подтвердило бы, что одни и те же фундаментальные бихимические процессы работают по всей Солнечной системе.