Promieniotwórczość skał może rozbijać wodę i pośrednio zasilać mikroorganizmy kilometrami pod ziemią
W głębokiej skorupie ziemskiej nie dociera światło, a dopływ materii z powierzchni może być bardzo ograniczony. Mimo to naturalny rozpad uranu, toru i potasu emituje promieniowanie jonizujące, które rozkłada cząsteczki wody — proces nazywany radiolizą. Jednym z produktów jest wodór H₂. Dla mikroorganizmów chemolitotroficznych wodór może być donorem elektronów i źródłem energii, wykorzystywanym np. w metanogenezie lub redukcji siarczanów. Badania głębokich wód szczelinowych w południowoafrykańskich skałach wykazały stężenia H₂ zgodne z istotną rolą radiolizy. Oznacza to, że energia rozpadu promieniotwórczego może przejść przez wodę do biologicznego metabolizmu.
Od promieniowania do pożywienia
Promieniotwórczość kojarzy się z uszkadzaniem komórek, ale na poziomie ekosystemu może pośrednio tworzyć chemiczne źródła energii. Izotopy uranu, toru i potasu naturalnie obecne w skałach rozpadają się, emitując promieniowanie. Gdy energia promieniowania trafia w wodę, może rozrywać jej cząsteczki i uruchamiać serię reakcji prowadzących między innymi do powstawania wodoru cząsteczkowego H2 oraz utleniaczy. Proces zachodzi bez udziału żywego organizmu i bez światła słonecznego.
Wodór jest paliwem dla mikroorganizmów
H2 jest doskonałym donorem elektronów dla wielu mikroorganizmów. Metanogenne archeony mogą łączyć wodór z CO2, produkując metan, a inne organizmy wykorzystują go podczas redukcji siarczanów, azotanów lub innych akceptorów. Jeśli wodór powstaje stale w skale, może utrzymywać powolną chemosyntezę przez bardzo długi czas. Organizm nie korzysta bezpośrednio z promieniowania jak panel słoneczny; korzysta z chemicznych produktów radiolizy. Energia jądrowa zostaje najpierw zamieniona na nierównowagę chemiczną.
Dowody z kilometrów pod ziemią
W wodach szczelinowych pobranych z głębokich skał basenu Witwatersrand w Afryce Południowej znaleziono bardzo wysokie stężenia wodoru. Analizy geochemiczne wskazywały, że znaczna część mogła powstawać wskutek radiolitycznego rozkładu wody napędzanego rozpadem U, Th i K w skałach. Badacze wykazali też, że taki wodór może być termodynamicznie wystarczający do zasilania reakcji mikrobiologicznych. Późniejsze badania rozszerzyły obraz radiolizy jako jednego z kilku ważnych źródeł H2 w głębokim podłożu.
Ekosystem może być bardzo słaby, ale bardzo trwały
Tempo radiolizy jest niewielkie w porównaniu z dopływem energii słonecznej na powierzchnię. Jednak głęboka biosfera również działa ekstremalnie powoli. Jeśli skała dostarcza niewielkiego strumienia wodoru przez miliony lat, mikroorganizmy nie muszą rosnąć szybko; wystarczy, że ich zapotrzebowanie energetyczne jest równie małe. Trwałość źródła może być ważniejsza niż moc. To odwraca intuicję z powierzchni, gdzie ekosystemy kojarzymy z dużymi i szybko odnawialnymi przepływami energii.
Czy to życie całkowicie niezależne od Słońca
W niektórych głębokich środowiskach część energii i węgla nadal może pochodzić z materii organicznej wytworzonej kiedyś na powierzchni. Dlatego każde stanowisko trzeba analizować osobno. Radioliza dostarcza jednak fizycznie niezależnego od fotosyntezy źródła wodoru i może wspierać chemolitotroficzne łańcuchy pokarmowe. Istnienie takiego mechanizmu rozszerza zakres środowisk, w których teoretycznie można podtrzymać biosferę nawet przy bardzo słabym kontakcie z powierzchnią.
Znaczenie dla astrobiologii
Jeżeli promieniotwórcze minerały i woda mogą wspólnie wytwarzać H2, podobny mechanizm może działać również w podpowierzchniowych środowiskach innych ciał planetarnych. Nie dowodzi to istnienia życia poza Ziemią, ale dostarcza konkretnego scenariusza energetycznego niezależnego od światła gwiazdy. Skała, woda i długotrwały rozpad radioaktywny mogą wystarczyć do utrzymywania chemicznej nierównowagi. Mikroorganizmy z głębokiej Ziemi pokazują, że biosfera potrafi wykorzystać nawet tak rozproszone źródło energii.
Łańcuch przemian energii
W tym systemie energia zmienia postać kilka razy: rozpad jądrowy emituje promieniowanie, promieniowanie rozbija wodę, reakcje tworzą H2, a mikroorganizm utlenia wodór i zachowuje część energii w ATP oraz gradientach jonowych. Dzięki temu proces zwykle kojarzony wyłącznie z geologią staje się pierwszym ogniwem łańcucha pokarmowego. To niezwykłe połączenie fizyki jądrowej, geochemii i biologii.