Инфракрасный фотосинтез как потенциальный источник жизни на других планетах

Низкоэнергетическое излучение гидротермальных источников способно заменить солнце.
Фотосинтез — основная движущая сила практически всей жизни на поверхности нашей планеты. Большинство фотосинтезирующих существ делает ставку на свет в видимой части спектра, но есть и такие, которым подавай инфракрасное излучение. Несколько лет назад глубоко под водой близ гидротермального источника был даже обнаружен вид бактерий, которым солнце не нужно вовсе.

Разумеется, все сразу подумали о других планетах, и Роландо Карденас из Центрального университета «Марта Абреу» (Куба) с коллегами взялись за расчёты.

Гидротермальные источники появляются близ подводных вулканов в районе срединно-океанических хребтов. Литосферные плиты расходятся, и магма врывается в образовавшиеся полости морского ложа, нагревая воду, насыщенную минералами. Вода изливается изо дна, минералы откладываются, и возникают конструкции, напоминающие дымовые трубы, — их называют чёрными курильщиками.

Может показаться, что в таких обжигающих условиях жить нельзя, но в действительности гидротермальные источники — очаги биологического разнообразия. Железом, сероводородом и аммиаком, которые изрыгаются из земных недр, питаются различные бактерии. Последние в свою очередь поддерживают целые экосистемы, знаменитые прежде всего беспозвоночными, живущими в хитиновых трубках. Встречаются также причудливые улитки, крабы и др.

Восемь лет назад в Тихом океане близ побережья Мексики Томас Битти из Университета Британской Колумбии (Канада) и его коллеги открыли зелёную серобактерию, которой недостаточно химических веществ, выброшенных гидротермальным источником. Чтобы извлечь энергию из реакции с участием серы, ей требуется свет. Но на глубине 2 400 м с этим туго. Солнечные фотоны полностью поглощаются уже на глубине 200 м. Всё, что есть у таких бактерий, — это инфракрасное излучение быстро охлаждающихся перегретых вод гидротермального источника. За это излучение у бактерий отвечают наросты, напоминающие усики.

Изучать выносливые, лишённые солнца формы жизни в столь труднодоступных районах дорого и неудобно, и эта бактерия с тех пор ни разу не была изолирована повторно. Поэтому г-н Карденас и его коллеги попытались оценить фотосинтетический потенциал подобных экосистем с помощью математики.

Исследователи начали с источника, описанного группой г-на Битти. Свыше 99% тамошнего света — инфракрасное излучение низкой энергии. Свет на длине волны оптического диапазона с высокой энергией встречается редко и не может играть сколько-нибудь заметной роли в фотоситезе.

Учёные воспользовались уравнениями, описывающими фотосинтез поверхностного фитопланктона, но, конечно, изменили их, ведь ультрафиолетовое излучение, которое может навредить фитопланктону и тем самым воспрепятствовать фотосинтезу, не достигает морских глубин. Смоделирован различный уровень интенсивности излучения при температуре воды от 200 до 400 °C.

В результате показатели интенсивности инфракрасного фотосинтеза получились не очень высокими, то есть из излучения гидротермального источника можно извлечь не так много полезной энергии. Это согласуется со сведениями г-на Битти и его коллег о том, что данная зелёная серобактерия не является ни доминантным представителем своего сообщества, ни замечательным примером жизнестойкости. «По-моему, они цепляются за жизнь кончиками пальцев», — отмечает соавтор г-на Битти Роберт Блэнкеншип из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США).

Если подземная или подводная жизнь других планет хочет добыть достаточное количество энергии посредством инфракрасного фотосинтеза, ей придётся приобрести принципиально иные средства фотосинтеза или значительно расширить диапазон длины волн, с которыми они смогут работать.

Инфракрасная часть спектра начинается в районе 700 нм, а упомянутая бактерия собирала урожай на длине около 1 000 нм. Тем не менее г-н Карденас считает, что вне земной биологии могут существовать фотосинтезирующие организмы, которым будет хорошо в свете гидротермальных источников. «Уже при 1 100 нм зелёные серобактерии могли бы заниматься фотосинтезом в аналогичной среде на Европе», — говорит учёный, не исключая существования организмов, способных поглощать излучение с длиной волны 1 300 нм, что намного больше тех волн, которые могут усвоить земные организмы (соответственно, такие волны несут намного меньше энергии).

Г-н Блэнкеншип относится к этому скептически. По его словам, вода вокруг гидротермальных источников поглотила бы бóльшую часть излучения, оставив микробам совсем немного и к тому же вынудив их жить в опасной близости к перегретой среде. «Излучения оттуда очень и очень мало», — подчёркивает специалист.

Европа имеет толстую ледяную корку, и учёные почти уверены в том, что под ней существует океан, который поддерживается в жидком состоянии деформацией луны под действием приливных сил Юпитера. Это может порождать тектонические процессы в мантии Европы, которые способны привести к появлению гидротермальных источников на дне океана.

Но не стоит забывать о том, что пока характеристики гидротермальных источников на Европе — чистая спекуляция. Представления о внутреннем устройстве этого спутника Юпитера противоречивы.

В целом инфракрасный фотосинтез в качестве единственного или дополнительного средства производства энергии выглядит малоэффективным. В безднах океанов (по крайней мере нашей планеты) намного лучше зарекомендовал себя иной способ, основанный на использовании минералов. С другой стороны, биология не раз демонстрировала поразительную способность приспосабливаться к любым условиям: обнаружение жизни вокруг чёрных курильщиков в 1977 году удивило многих; вспомните хотя бы помпейского червя...

Результаты исследования опубликованы в журнале Astrophysics and Space Science.

Подготовлено по материалам Astrobiology Magazine.