Запропоновано новий рецепт пошуку інопланетного життя

Для більшості видів життя у Всесвіті кисень може бути смертельною отрутою. Але, як не дивно, це може суттєво спростити пошук такої життя для астробиологов. Уявіть, що ви сідаєте в машину часу, яка не тільки зможе подорожувати на мільярди років, але і долати світлові голи в космічному просторі, і все для того, щоб знайти життя у Всесвіті. З чого б ви почали пошук? Рекомендації вчених можуть вас здивувати.

Спершу ви подумаєте, що життя може бути схожа на знайому нам земне життя: травичка, дерева, тварини граються на водопої під блакитним небом і жовтим сонцем. Але це неправильний хід думки. Астрономи, які проводять перепис планет Чумацького Шляху, схильні вважати, що більша частина життя у Всесвіті існує на світах, що обертаються навколо червоних карликових зірок, які менше, але численніші зірок на зразок нашого Сонця. Частково із-за цього достатку астрономам доводиться вивчати їх з усією старанністю. Візьмемо, наприклад, червоний карлик TRAPPIST-1, який знаходиться всього в 40 світлових роках від нас. У 2017 році астрономи виявили, що навколо нього обертається щонайменше сім схожих на Землю планет. Безліч нових обсерваторій – на чолі із зіркою NASA, космічним телескопом Джеймса Вебба – почнуть роботу в 2019 році і зможуть ближче познайомитися з планетами системи TRAPPIST-1, а також багатьма іншими планетами у червоних карликів у пошуках життя.

Між тим, ніхто не знає напевно, що ви знайдете, відвідавши один з цих дивних світів на своїй машині простору-часу, але якщо ж планета буде схожа на Землю, висока ймовірність, що ви знайдете мікробів, а не привабливу мегафауну. Дослідження, опубліковане 24 січня в Science Advances, демонструє, що цей цікавий факт може означати для пошуку інопланетян. Один з авторів роботи Девід Катлинг, атмосферне хімік з Університету Вашингтона в Сіетлі, вдивляється в історію нашої планети, щоб розробити новий рецепт для пошуку одноклеточной життя на далеких світах в недалекому майбутньому.

Зараз на Землі більша частина життя є мікробної, і ретельне читання копалин і геохімічних даних планети показує, що так було завжди. Організми начебто тварин і рослин, а також кисень, який ці рослини виробляють для того, щоб тварини ним дихали, – відносно нові явища, що з'явилися за останні півмільярда років. До цього, з чотирьох мільярдів років історії Землі, перші два мільярди років наша планета провела в ролі «мулистого світу» під керуванням харчуються метаном мікробів, для яких кисень був не життєдайним газом, а смертельною отрутою. Розвиток фотосинтезуючих ціанобактерій визначило долю наступних двох мільярдів років, і «метаногеновые» мікроби були загнані в темні місця, куди не міг потрапити кисень – підземні печери, глибокі болота та інші похмурі території, в яких ті живуть досі. Ціанобактерії поступово озеленили нашу планету, повільно наповнили її атмосферу киснем і заклали основу для сучасного світу. Якщо б ви відвідували нашу планету на своїй машині часу всі ці роки, то дев'ять з десяти ви знаходили б тільки одноклеточную життя водорості, а також ризикували б задихнутися в бідній киснем повітрі.

Це створює труднощі для вчених, які сподіваються використовувати телескоп Джеймса Вебба (а не машину часу) для пошуку інших світів з життям. Молекули в атмосфері планети можуть поглинати проходить світло зірок, завдяки чому утворюються відбитки світла, які можуть виявити астрономи. Велика кількість кисню в атмосфері планети – один з найбільш очевидних покажчиків на можливу життя, тому що створити його без біології не дуже легко. На думку астробиологов, цей високо реактивний газ може бути «биосигнатурой», тому що у великих концентраціях він «виходить з рівноваги з навколишнім середовищем. Кисень, як правило, випадає з повітря у вигляді іржі та інших окислення на металах, а не тримається в газоподібному стані, тому якщо його багато, то – можливо, фотосинтезирующая життя – має постійно його поповнювати. Але якщо брати за приклад нашу планету, астробиологи визнають, що кисень може бути останнім, що вони знайдуть, – генетика каже, що складний фотосинтез як процес вироблення кисню було винайдено цианобактериями як незвичайне еволюційний нововведення, яке було знайдено лише один раз протягом довгої історії земної біосфери. Отже, будь-який мисливець за життям на інших планетах буде бачити крізь об'єктив телескопа, швидше за все, безкисневу планету. Які ще биосигнатуры може пошукати такий мисливець?

В даний час кращий спосіб знайти відповідь – повернутися в нашу машину часу. Тільки в цей раз вона буде вже віртуальної, комп'ютерною моделлю, яка занурюється в недоступні глибини бескислородного минулого Землі (або цього інопланетного світу), досліджуючи можливу хімію газів в атмосфері та океані, яка могла б мати місце. Використовуючи дані старих порід і інші моделі для відбору найкращих припущень про хімії навколишнього середовища Землі три мільярди років тому, комп'ютер може побачити очевидні дисбаланси – можливі биосигнатуры. Власне, це і зробив Катлинг, працюючи з Джошуа Криссансен-Тоттоном і Стефані Олсон з Каліфорнійського університету в Ріверсайді.

«машина часу» являє собою чисельне наближення величезного об'єму повітря, замкненого у великій прозорій коробці з відкритим океаном упідстави коробки; комп'ютер просто розраховує, що містяться в коробці гази будуть реагувати і змішуватися з плином часу. В кінцевому підсумку взаємодіючі гази використовують всю «вільну енергію» в коробці і досягнуто рівноваги – коли для реакції буде потрібна додаткова енергія ззовні, ніби газована вода видихалася. Порівнюючи коктейль выдохшихся газів з жвавій сумішшю, замкненої в коробці спочатку, учені можуть точно розрахувати, як і коли атмосфера світу виявилася в рівновазі. Цей підхід може відтворити найбільш очевидний приклад атмосферного дисбалансу, який є у нашої планети – наявність кисню і слідів метану. Проста хімія показує, що ці гази не мають співіснувати довгий час, але на Землі вони співіснують, що чітко дає зрозуміти, що на нашій планеті дихає і живе. Але для стародавньої Землі без кисню модель буде демонструвати зовсім інше поведінку.

«Наше дослідження дає відповідь на питання, як знайти аноксическую життя на планеті земного типу, каже Катлинг. Більша частина життя проста — зразок мікробів — і більшість планет ще не дійшли до стадії насиченою киснем атмосфери. Поєднання щодо поширеного діоксиду вуглецю і метану (відсутність моноксиду вуглецю) — це биосигнатура такого світу.

Криссансен-Тоттон пояснює більш докладно: «Наявність метану і діоксиду вуглецю одночасно — незвичайне явище, тому що діоксид вуглецю — це саме окиснена стан вуглецю, а метан (що складається з атома вуглецю, пов'язаного з чотирма атомами водню) — навпаки. Провести дві цих екстремальних форми окислення в атмосфері одночасно дуже складно в відсутність життя». Тверда планета з океаном і більше 0,1% метану в атмосфері повинна розглядатися як потенційно заселена планета, вважають вчені. І якщо атмосферний метан досягає рівня 1% і вище, то в даному випадку планета буде не «потенційно», а «найімовірніше» населеною.

Джим Кастинг, атмосферне хімік з Пенсільванського університету, говорить, що ці результати «на вірному шляху», незважаючи на те, що «ідея того, що метан може бути биосигнатурой в аноксидной атмосфері, щодо стара».

Крім того, Катлинг і його співавтори з'ясували, як їх метанова сигнатура має проявляти себе і як відрізнити її від неживих джерел. За їх моделі, метан в атмосфері аноксидной планети земного типу зазвичай повинен реагувати з діоксидом вуглецю, який все ще витає в повітрі, змішуватися з азотом і водяними парами, проливаясь дощем у вигляді важкого з'єднання. Подальші розрахунки показали, що ніякі абіотичні (тобто неживі) джерела метану на твердій планеті не зможуть виробляти достатньо газу, щоб перешкодити цьому процесу — будь то вулканічна загазованість, хімічні реакції в глибоководних жерлах і навіть падіння астероїдів. Тільки жива популяція комах метан бактерій може пояснити газ. Що більш важливо, навіть якщо абіотичні джерела нададуть достатньо метану, вони майже неминуче вироблять багато моноксиду вуглецю — газу, який отруйний для тварин, але дуже любимо багатьма мікробами. Разом, метан і діоксид вуглецю, відсутність моноксиду вуглецю, на твердій планеті з океаном цілком можуть бути інтерпретовані як ознака життя, не залежною від кисню.

Це хороші новини для астрономів. Телескоп Джеймса Вебба насилу зможе прямо визначити наявність кисню на будь потенційно населеної планеті, яку побачить в ході своєї місії. Як ваші очі можуть розрізняти видиме світло, але не бачать радіо - чи рентгенівських променів, зір Вебба налаштоване на інфрачервоний спектр — частина спектру, яка ідеально підходить для вивчення древніх зірок і галактик, але погано справляється з кисневими лініями абсорбції, де вони розпорошені і рідкісні. Деякі вчені висловлюють побоювання, що пошук життя доведеться відкласти до появи інших, більш здатних телескопів. Але хоча Вебб не може з легкістю бачити кисень, його інфрачервоні очі можуть чудово бачити ознаки безкисневому життя. Телескоп здатний одночасно виявляти метан, діоксид вуглецю і моноксид вуглецю в атмосфері деяких планет біля червоних карликових зірок. Наприклад, у системі TRAPPIST-1.

І все ж Вебб навряд чи впорається з самою важливою частиною критеріїв Катлинга — визначенням відносної кількості кожного газу — і не зможе зрозуміти, наприклад, виробляють метан на окремо взятій планеті вулкани або пукаючі мікроби. Навряд чи Вебб знайде аноксидную біосферу на який-небудь планеті під червоним сонцем.

Важливо інше. Життя шукати важливіше, ніж кисень.