Для большинства видов жизни во Вселенной кислород может быть смертельным ядом. Но, как ни странно, это может существенно упростить поиск таковой жизни для астробиологов. Представьте, что вы садитесь в машину времени, которая не только сможет путешествовать на миллиарды лет, но и преодолевать световые голы в космическом пространстве, и все для того, чтобы найти жизнь во Вселенной. С чего бы вы начали поиск? Рекомендации ученых могут вас удивить.
Сперва вы подумаете, что жизнь может быть похожа на знакомую нам земную жизнь: травка, деревья, резвящиеся животные на водопое под голубым небом и желтым солнцем. Но это неверный ход мысли. Астрономы, проводящие перепись планет Млечного Пути, склонны полагать, что большая часть жизни во Вселенной существует на мирах, вращающихся вокруг красных карликовых звезд, которые меньше, но многочисленнее звезд вроде нашего Солнца. Отчасти из-за этого изобилия астрономам приходится изучать их со всей прилежностью. Возьмем, например, красный карлик TRAPPIST-1, который находится всего в 40 световых годах от нас. В 2017 году астрономы обнаружили, что вокруг него вращается по меньшей мере семь похожих на Землю планет. Множество новых обсерваторий – во главе со звездой NASA, космическим телескопом Джеймса Вебба – начнут работу в 2019 году и смогут поближе познакомиться с планетами системы TRAPPIST-1, а также многими другими планетами у красных карликов в поисках жизни.
Между тем, никто не знает наверняка, что вы найдете, посетив один из этих странных миров на своей машине пространства-времени, но если же планета будет похожа на Землю, высока вероятность, что вы найдете микробов, а не привлекательную мегафауну. Исследование, опубликованное 24 января в Science Advances, демонстрирует, что этот любопытный факт может означать для поиска инопланетян. Один из авторов работы Дэвид Катлинг, атмосферный химик из Университета Вашингтона в Сиэтле, вглядывается в историю нашей планеты, чтобы разработать новый рецепт для поиска одноклеточной жизни на далеких мирах в недалеком будущем.
Сейчас на Земле большая часть жизни является микробной, и тщательное чтение ископаемых и геохимических данных планеты показывает, что так было всегда. Организмы вроде животных и растений – а также кислород, который эти растения вырабатывают для того, чтобы животные им дышали, – относительно новые явления, появившиеся за последние полмиллиарда лет. До этого, из четырех миллиардов лет истории Земли, первые два миллиарда лет наша планета провела в роли «илистого мира» под управлением питающихся метаном микробов, для которых кислород был не живительным газом, а смертельным ядом. Развитие фотосинтезирующих цианобактерий определило судьбу следующих двух миллиардов лет, и «метаногеновые» микробы были загнаны в темные места, куда не мог попасть кислород – подземные пещеры, глубокие болота и другие мрачные территории, в которых те обитают до сих пор. Цианобактерии постепенно озеленили нашу планету, медленно наполнили ее атмосферу кислородом и заложили основу для современного мира. Если бы вы посещали нашу планету на своей машине времени все эти годы, то девять раз из десяти вы находили бы только одноклеточную жизнь водоросли, а также рисковали бы задохнуться в бедном кислородом воздухе.
Это создает затруднение для ученых, которые надеются использовать телескоп Джеймса Вебба (а не машину времени) для поиска других миров с жизнью. Молекулы в атмосфере планеты могут поглощать проходящий свет звезд, благодаря чему образуются отпечатки света, которые могут обнаружить астрономы. Обилие кислорода в атмосфере планеты – один из самых очевидных указателей на возможную жизнь, потому что создать его без биологии не очень легко. По мнению астробиологов, этот высоко реактивный газ может быть «биосигнатурой», потому что в больших концентрациях он «выходит из равновесия» с окружающей средой. Кислород, как правило, выпадает из воздуха в виде ржавчины и прочих окислений на металлах, а не держится в газообразном состоянии, поэтому если его много, что-то – возможно, фотосинтезирующая жизнь – должно постоянно его восполнять. Но если брать за пример нашу планету, астробиологи признают, что кислород может быть последним, что они найдут, – генетика говорит, что сложный фотосинтез как процесс выработки кислорода был изобретен цианобактериями как необычное эволюционное новшество, которое было найдено лишь единожды на протяжении длинной истории земной биосферы. Следовательно, любой охотник за жизнью на других планетах будет видеть сквозь линзу телескопа, скорее всего, бескислородную планету. Какие еще биосигнатуры может поискать такой охотник?
В настоящее время лучший способ найти ответ – вернуться в нашу машину времени. Только в этот раз она будет уже виртуальной, компьютерной моделью, которая погружается в недоступные глубины бескислородного прошлого Земли (или настоящего инопланетного мира), исследуя возможную химию газов в атмосфере и океане, которая могла бы иметь место. Используя данные старых пород и другие модели для отбора наилучших предположений о химии окружающей среды Земли три миллиарда лет назад, компьютер может увидеть очевидные дисбалансы – возможные биосигнатуры. Собственно, это и проделал Катлинг, работая с Джошуа Криссансен-Тоттоном и Стефани Олсон из Калифорнийского университета в Риверсайде.
Их «машина времени» представляет собой численное приближение огромного объема воздуха, запертого в большой прозрачной коробке с открытым океаном у основания коробки; компьютер просто рассчитывает, как содержащиеся в коробке газы будут реагировать и смешиваться с течением времени. В конечном итоге взаимодействующие газы используют всю «свободную энергию» в коробке и достигнут равновесия – когда для реакции потребуется дополнительная энергия извне, будто газировка выдохлась. Сравнивая коктейль выдохшихся газов с оживленной смесью, запертой в коробке изначально, ученые могут точно рассчитать, как и когда атмосфера мира оказалась в равновесии. Этот подход может воспроизвести наиболее очевидный пример атмосферного дисбаланса, который имеется у нашей планеты – наличие кислорода и следов метана. Простая химия показывает, что эти газы не должны сосуществовать долгое время, но на Земле они сосуществуют, что четко дает понять, что что-то на нашей планете дышит и живет. Но для древней Земли без кислорода модель будет демонстрировать совершенно другое поведение.
«Наше исследование дает ответ» на вопрос, как найти аноксическую жизнь на планете земного типа, говорит Катлинг. Большая часть жизни проста — вроде микробов — и большинство планет еще не дошли до стадии насыщенной кислородом атмосферы. Сочетание относительно распространенного диоксида углерода и метана (в отсутствие моноксида углерода) — это биосигнатура такого мира.
Криссансен-Тоттон объясняет более подробно: «Наличие метана и диоксида углерода одновременно — необычное явление, потому что диоксид углерода — это самое окисленное состояние углерода, а метан (состоящий из атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода) — напротив. Произвести две этих экстремальных формы окисления в атмосфере одновременно очень сложно в отсутствие жизни». Твердая планета с океаном и более 0,1% метана в атмосфере должна рассматриваться как потенциально обитаемая планета, считают ученые. И если атмосферный метан достигает уровня 1% и выше, то в данном случае планета будет не «потенциально», а «вероятнее всего» обитаемой.
Джим Кастинг, атмосферный химик из Пенсильванского университета, говорит, что эти результаты «на верном пути», несмотря на то что «идея того, что метан может быть биосигнатурой в аноксидной атмосфере, относительно стара».
Кроме того, Катлинг и его соавторы выяснили, как их метановая сигнатура должна себя проявлять и как отличить ее от неживых источников. По их модели, метан в атмосфере аноксидной планеты земного типа обычно должен реагировать с диоксидом углерода, который все еще витает в воздухе, смешиваться с азотом и водяными парами, проливаясь дождем в виде тяжелого соединения. Дальнейшие расчеты показали, что никакие абиотические (то есть неживые) источники метана на твердой планете не смогут производить достаточно газа, чтобы помешать этому процессу — будь то вулканическая загазованность, химические реакции в глубоководных жерлах и даже падения астероидов. Только живая популяция поедающих метан бактерий может объяснить газ. Что более важно, даже если абиотические источники предоставят достаточно метана, они почти неизбежно произведут много моноксида углерода — газа, который ядовит для животных, но очень любим многими микробами. Вместе, метан и диоксид углерода, в отсутствие моноксида углерода, на твердой планете с океаном вполне могут быть интерпретированы как признак жизни, не зависимой от кислорода.
Это хорошие новости для астрономов. Телескоп Джеймса Вебба с трудом сможет прямо определить наличие кислорода на любой потенциально обитаемой планете, которую увидит в ходе своей миссии. Как ваши глаза могут различать видимый свет, но не видят радио- или рентгеновских лучей, зрение Вебба настроено на инфракрасный спектр — часть спектра, которая идеально подходит для изучения древних звезд и галактик, но плохо справляется с кислородными линиями абсорбции, где они рассеянные и редкие. Некоторые ученые выражают опасения, что поиск жизни придется отложить до появления других, более способных телескопов. Но хотя Вебб не может с легкостью видеть кислород, его инфракрасные глаза могут прекрасно видеть признаки бескислородной жизни. Телескоп способен одновременно обнаруживать метан, диоксид углерода и моноксид углерода в атмосферах некоторых планет возле красных карликовых звезд. Например, в системе TRAPPIST-1.
И все же Вебб вряд ли справится с самой важной частью критериев Катлинга — определением относительного количества каждого газа — и не сможет понять, например, производят ли метан на отдельно взятой планете вулканы или пукающие микробы. Вряд ли Вебб найдет аноксидную биосферу на какой-нибудь планете под красным солнцем.
Важно другое. Жизнь искать важнее, чем кислород.
