Разложение воды под действием ионизирующего излучения накормило морские бактерии

Justine Sauvage et al. / Nature Communications, 2021

Распространенные в морском грунте геологические материалы служат катализатором разложения воды под действием ионизирующего излучения. К такому выводу пришли океанологи, которые исследовали 20 образцов подводного грунта из разных точек Мирового океана. Молекулярный водород, один из продуктов радиолиза, — химический источник энергии для подводных экосистем: бактерии используют его как донор электронов, то есть еду. Ученые предполагают, что схожие с найденными образцами грунта каталитические материалы могут поддерживать жизнь на других планетах и их спутниках. Работа опубликована в Nature Communications.

Радионуклиды (радиоактивные атомы) часто встречаются в грунте и в горных породах, где их накопление способствует радиолизу воды, то есть распаду молекул под воздействием ионизирующего излучения. В результате образуется молекулярный водород (Н2) и ряд окислителей. В чистой воде этот процесс ограничен, но некоторые минералы, например кальцит, увеличивают радиолитический выход молекулярного водорода, если подвергаются альфа- или гамма-излучению. Как природные грунты, сложные по своему минералогическому составу, влияют на количество получаемого водорода, ранее не было исследовано.

Молекулярный водород, который образуется в результате радиолиза, важен для подземных и подводных экосистем. Для бактерий, обитающих глубоко под поверхностью Земли, он становится источником энергии. Радиолитический водород используется как донор электронов бактериальными сообществами, а другие продукты радиолиза (например, молекулярный кислород или перекись водорода) находят применение в качестве акцепторов электронов. Однако насколько бактерии полагаются на продукты радиолиза не было точно известно, в основном потому что было трудно оценить объемы получаемого водорода в природной среде.

Океанологи из Университета Род-Айленда экспериментально измерили количество водорода, которое можно получить из чистой воды, морской воды и насыщенного морской водой донного грунта при воздействии на них альфа- и гамма-излучением. Ученые использовали образцы разных типов отложений (глубинная глина, нанокаменосная глина, глинистый кремнистый ил, известковый ил, литогенный осадок), которые в сумме покрывают около 70 процентов поверхности Земли. Количество выделенных молекул водорода на каждые поглощенные 100 электронвольт оказалось одинаковым для чистой и морской воды. А вот суспензии морских отложений в тех же условиях выделяли намного больше молекулярного водорода, причем разные типы осадочных пород влияли на радиолиз с разной силой.

Несмотря на то, что радиолиз воды обеспечивает постоянный приток водорода, его концентрации в донных отложениях оказались близко к порогу детекции или даже ниже его (1-30 наномоль). Это указывало на то, что темпы потребления водорода близки к его темпам получения в осадочных породах. Самое простое объяснение этого факта — окисление водорода бактериями.

Далее ученые оценили, насколько важны продукты радиолиза в качестве источника энергии для бактерий. Оказалось, что в придонных отложениях, которые образовались за последние несколько миллионов лет, для клеточного дыхания бактерии использовали органические вещества. В отложениях постарше, наоборот, радиолитический водород оказался главным донором электронов для бактерий.

Авторы показали, насколько важны распространенные геологические материалы оказались для образования продуктов радиолиза воды, и, соответственно, поддержания экосистем. Несмотря на то, что современные донные отложения на Земле содержат большое количество биогенных компонентов (например, раковины, зубы рыб), в целом их состав во многом схож с составом грунта на ранней Земле или на других планетах. Например, цеолит, распространенный в морском грунте на Земле, встречается и на Марсе. Исследователи не исключают, что там, где вода проникает в схожий грунт на Марсе, Европе (спутнике Юпитера) и Энцеладе (спутнике Сатурна), радиолиз воды поддерживает жизнь и сегодня.

Водород — не единственное неорганическое вещество, которое бактерии могут использовать в качестве донора электронов: прокариоты успешно используют соединения азота, серы и железа. К этому списку ученые также добавили и марганец.

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.