Nieznany proces produkcji metanu prawdopodobnie zachodzi w ukrytym oceanie pod lodową powłoką księżyca Saturna Enceladus, sugerują nowe badania opublikowane w Nature Astronomy przez naukowców z University of Arizona i Paris Sciences & Lettres University.
Olbrzymie pióropusze wodne wybuchające z Enceladusa od dawna fascynują naukowców i opinię publiczną, inspirując badania i spekulacje na temat rozległego oceanu, który, jak się uważa, jest wciśnięty między skaliste jądro księżyca a jego lodową powłokę. Przelatując przez pióropusze i próbkując ich skład chemiczny, sonda Cassini wykryła stosunkowo wysokie stężenie pewnych cząsteczek związanych z kominami hydrotermalnymi na dnie ziemskich oceanów, w szczególności diwodoru, metanu i dwutlenku węgla. Szczególnie nieoczekiwana była ilość metanu znaleziona w pióropuszach.
„Chcieliśmy wiedzieć: czy drobnoustroje podobne do Ziemi, które „jedzą” diwodór i wytwarzają metan, mogą wyjaśnić zaskakująco dużą ilość metanu wykrytą przez Cassini?” powiedział Regis Ferriere, profesor nadzwyczajny na Wydziale Ekologii i Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu Arizony i jeden z dwóch głównych autorów badania. „Poszukiwanie takich mikrobów, znanych jako metanogeny, na dnie morskim Enceladusa wymagałoby niezwykle trudnych misji głębinowych”.
Ferriere i jego zespół wybrali inną, łatwiejszą drogę: skonstruowali modele matematyczne do obliczenia prawdopodobieństwa, że różne procesy, w tym biologiczna metanogeneza, mogą wyjaśnić dane Cassini.
Autorzy zastosowali nowe modele matematyczne, które łączą geochemię i ekologię drobnoustrojów, aby przeanalizować dane dotyczące smugi Cassini i modelować możliwe procesy, które najlepiej wyjaśniłyby obserwacje. Dochodzą do wniosku, że dane Cassini są zgodne albo z aktywnością mikrobiologicznych kominów hydrotermalnych, albo z procesami, które nie obejmują form życia, ale różnią się od tych, o których wiadomo, że występują na Ziemi.
Na Ziemi aktywność hydrotermalna ma miejsce, gdy zimna woda morska przedostaje się do dna oceanu, krąży przez leżącą poniżej skałę i przechodzi blisko źródła ciepła, takiego jak komora magmowa, zanim ponownie wypłynie do wody przez otwory hydrotermalne. Na Ziemi metan może być wytwarzany w wyniku aktywności hydrotermalnej, ale w wolnym tempie. Większość produkcji jest spowodowana przez mikroorganizmy, które wykorzystują nierównowagę chemiczną wytwarzanego hydrotermicznie diwodoru jako źródła energii i produkują metan z dwutlenku węgla w procesie zwanym metanogenezą.
Zespół przyjrzał się składowi pióropusza Enceladusa jako końcowemu rezultatowi kilku procesów chemicznych i fizycznych zachodzących we wnętrzu księżyca. Najpierw naukowcy ocenili, jaka hydrotermalna produkcja diwodoru najlepiej pasowałaby do obserwacji Cassini i czy ta produkcja mogłaby zapewnić wystarczającą ilość „pożywienia” do utrzymania populacji podobnych do Ziemi metanogenów hydrogenotroficznych. W tym celu opracowali model dynamiki populacji hipotetycznego metanogenu hydrogenotroficznego, którego niszę termiczną i energetyczną zamodelowano na podstawie znanych szczepów z Ziemi.
Następnie autorzy przeprowadzili model, aby sprawdzić, czy dany zestaw warunków chemicznych, takich jak stężenie diwodoru w płynie hydrotermalnym i temperatura, zapewnią odpowiednie środowisko do rozwoju tych drobnoustrojów. Przyjrzeli się również, jaki wpływ na środowisko miałaby hipotetyczna populacja drobnoustrojów – na przykład na szybkość ucieczki diwodoru i metanu w pióropuszu.
„Podsumowując, możemy nie tylko ocenić, czy obserwacje Cassini są kompatybilne ze środowiskiem nadającym się do życia, ale także możemy dokonać ilościowych prognoz dotyczących obserwacji, których należy się spodziewać, gdyby metanogeneza rzeczywiście miała miejsce na dnie morskim Enceladusa” – wyjaśnił Ferriere.
Wyniki sugerują, że nawet najwyższe możliwe szacunki abiotycznej produkcji metanu – lub produkcji metanu bez pomocy biologicznej – oparte na znanej chemii hydrotermalnej są dalece niewystarczające do wyjaśnienia stężenia metanu mierzonego w smugach. Dodanie biologicznej metanogenezy do mieszanki może jednak wytworzyć wystarczającą ilość metanu, aby dopasować się do obserwacji Cassini.
„Oczywiście nie sądzimy, że życie istnieje w oceanie Enceladusa” – powiedział Ferriere. „Chcieliśmy raczej zrozumieć, jak prawdopodobne jest, że kominy hydrotermalne Enceladusa mogą nadawać się do zamieszkania przez mikroorganizmy podobne do Ziemi.”
„Biologiczna metanogeneza wydaje się być zgodna z danymi. Innymi słowy, nie możemy odrzucić „hipotezy życia” jako wysoce nieprawdopodobnej. Aby odrzucić hipotezę dotyczącą życia, potrzebujemy więcej danych z przyszłych misji” – dodał.
Autorzy mają nadzieję, że ich artykuł dostarczy wskazówek do badań mających na celu lepsze zrozumienie obserwacji poczynionych przez Cassini i zachęci do badań w celu wyjaśnienia procesów abiotycznych, które mogą wytwarzać wystarczającą ilość metanu, aby wyjaśnić dane.
Na przykład metan może pochodzić z chemicznego rozkładu pierwotnej materii organicznej, która może znajdować się w jądrze Enceladusa i która może zostać częściowo przekształcona w diwodór, metan i dwutlenek węgla w procesie hydrotermalnym. Ta hipoteza jest bardzo prawdopodobna, jeśli okaże się, że Enceladus powstał w wyniku akrecji bogatego w substancje organiczne materiału dostarczanego przez komety, wyjaśnił Ferriere.
„Częściowo sprowadza się to do tego, jak prawdopodobne jest, że na początku są różne hipotezy” – powiedział. „Na przykład, jeśli uznamy, że prawdopodobieństwo życia na Enceladusie jest niezwykle niskie, wtedy takie alternatywne mechanizmy abiotyczne stają się znacznie bardziej prawdopodobne, nawet jeśli są bardzo obce w porównaniu z tym, co wiemy na Ziemi”.
Według autorów, bardzo obiecujący postęp artykułu leży w jego metodologii, ponieważ nie ogranicza się on do konkretnych systemów, takich jak wewnętrzne oceany lodowych księżyców i toruje drogę do radzenia sobie z danymi chemicznymi z planet poza Układem Słonecznym, gdy się one stają dostępne w nadchodzących dziesięcioleciach.
