Как и герой романа Энди Вейера Проект «Аве Мария», некоторые учёные выдвигают смелые гипотезы о том, что жизнь может существовать и за пределами так называемой “обитаемой зоны” звезды — области, которую обычно считают главным условием для возможной обитаемости планет.
Автор: Маккензи Прилламан
Все известные живые организмы на Земле нуждаются в воде. Этот жизненно важный элемент составляет около 60 процентов массы человеческого тела: он помогает поддерживать температуру, переносит питательные вещества к клеткам и защищает внутренние органы. Растениям вода необходима для создания собственного “топлива”, а грибы используют её, чтобы разлагать органические вещества.
Вода настолько фундаментальна, что поиски жизни — особенно за пределами нашей Солнечной системы — почти всегда начинаются с изучения так называемой “обитаемой зоны” звезды. Это область, где планета, спутник или иной каменистый объект движется на такой дистанции, при которой температура и другие условия могут позволить жидкой воде удерживаться на поверхности.
Но можно представить себе мир, где жизнь поддерживается совсем иначе. В научно‑фантастическом романе Проект «Аве Мария», который только вышел на экраны в виде киноадаптации, главный герой, Райленд Грейс, критикует саму идею “обитаемой зоны” и предполагает, что жидкая вода вовсе не обязательна для существования внеземной жизни. Его коллеги считают это абсурдом и фактически выталкивают его из академической среды.
Однако недавние исследования намекают, что его мысль не так уж фантастична — по крайней мере, если говорить о воде на поверхности планет и лун. В нашей Солнечной системе холодный спутник Сатурна Энцелад и Европа, луна Юпитера, считаются одними из главных кандидатов на возможное существование микробов, несмотря на то что они находятся далеко за пределами “зоны комфорта” и скрыты под ледяной корой.
Тем временем некоторые учёные всерьёз предлагают необычные сценарии, в которых инопланетные микроорганизмы могли бы существовать без той самой жидкости, которую мы привыкли считать жизненно необходимой. Их исследования показывают: организмы способны выживать даже в условиях, которые на первый взгляд кажутся совершенно негостеприимными.
«Что вообще нужно жизни? Мы не знаем. У нас есть лишь один пример — Земля», — говорит Нгок Чыонг, планетолог из Центра космических полётов имени Годдарда (NASA). — «Поэтому нам нужно расширять представления о том, какими путями жизнь может сохраняться.»
Поиски, вдохновлённые нашими водными истоками
Земля сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, а самые ранние несомненные следы жизни — например, окаменевшие микробы — относятся примерно к миллиарду лет спустя. Большинство учёных предполагает, что организмы, давшие начало всему современному многообразию жизни, появились в воде. Но что именно стало искрой, запустившей этот процесс, до сих пор остаётся загадкой.
Одни считают, что строительные блоки белков и генетического кода — а возможно, и сами микробы — могли попасть на Землю с кометами и астероидами, которые бомбардировали молодую планету. Другие полагают, что толчком могли стать молнии или солнечное излучение, запустившие синтез сложных органических соединений. Ещё одна популярная гипотеза гласит, что жизнь зародилась на океанском дне, возле гидротермальных источников, где горячие, насыщенные минералами потоки смешиваются с морской водой.
Как бы ни выглядела реальная история зарождения жизни, если её первичная химия действительно началась в воде, то именно это “удачное совпадение”, по словам Зака Адама, специалиста по пребиотической химии из Университета Висконсин-Мэдисон, могло закрепить водную зависимость земных организмов.
Чтобы клетки работали, им требуется множество химических реакций, а для большинства из них необходима среда, в которой они могут происходить. И вода здесь оказывается почти идеальным вариантом: она растворяет больше веществ, чем большинство других жидкостей, за что и получила прозвище “универсальный растворитель”.
Кроме того, вода выглядит разумным кандидатом на роль носителя жизни и в масштабах космоса: в нашей галактике она встречается довольно часто, отмечает Питер Гиргуис, морской микробиолог из Гарварда. «Она буквально повсюду.»
Именно поэтому астрономы, ищущие жизнь за пределами Солнечной системы, прежде всего обращают внимание на обитаемую зону. Хотя сам термин стал популярным лишь в 1970‑е годы, его суть восходит ещё к Исааку Ньютону. В XVII веке он писал, что вода, дарующая Земле жизнь, может существовать на поверхности планеты только на определённом расстоянии от Солнца: будь мы на орбите Сатурна — она бы замёрзла, а окажись мы на месте Меркурия — испарилась бы. В разных планетных системах положение обитаемой зоны меняется в зависимости от массы, возраста и температуры звезды.
Но само по себе нахождение в этой “привилегированной области” ещё не гарантирует, что система способна поддерживать жизнь. Так, одна из планет‑кандидатов, о которой сообщили в прошлом году, действительно обращается в обитаемой зоне звезды Альфа Центавра А, но, скорее всего, представляет собой негостеприимный газовый гигант. А каменистая планета в обитаемой зоне может оказаться слишком горячей, если её атмосфера насыщена парниковыми газами: тогда тепло будет заперто у поверхности, и вода не сможет сохраняться в жидком виде.
За пределами обитаемой зоны небесные тела, лишённые поверхностной воды, всё же могут скрывать жидкость под землёй. Именно поэтому учёные ищут следы жизни на Энцеладе и Европе: пролёты космических аппаратов показывают, что под их ледяной корой плещутся подповерхностные океаны, а также присутствуют химические соединения, которые могли бы стать основой для микробов. Там, возможно, могла бы существовать жизнь, похожая на земную. Но существуют и такие системы, где условия настолько отличны от наших, что жизнь — если она есть — может работать по совершенно иным принципам.
Замёрзшие микробы, питающиеся радиацией
Представьте себе ледяную, каменистую планету, укутанную сплошной корой льда — её поверхностная вода давно превратилась в лёд, потому что она находится невероятно далеко от своей звезды. В отличие от Земли, у этой планеты нет ни атмосферы, ни глобального магнитного поля, которые могли бы защитить ее от космического излучения. Поэтому высокоэнергетические частицы — галактические космические лучи, непрерывно пронизывающие пространство и в основном рождающиеся при вспышках сверхновых, — беспрепятственно бомбардируют поверхность и проникают сквозь лёд.
Космические лучи могут запускать в ледяной коре химическую реакцию, известную как радиолиз, — и её продукты теоретически способны поддерживать дремлющие под поверхностью микробы. В исследовании, опубликованном в июле прошлого года в International Journal of Astrobiology, учёные рассчитали, какое «количество» жизни мог бы поддерживать этот процесс.
«Стоит лишь опуститься чуть ниже поверхности — и радиация начинает порождать целый каскад химических реакций», — объясняет соавтор работы Димитра Атри, астробиолог из Нью‑Йоркского университета Абу‑Даби (ОАЭ). — «Она создаёт устойчивые молекулы, и многие из них — например, аминокислоты — вполне пригодны для жизни.»
«Радиолиз также производит водород, который на Земле служит пищей для некоторых микробов, и отрицательно заряженные электроны — а они нужны почти для всех известных химических реакций, включая те, что формируют “энергетическую валюту” живых организмов», — добавляет он.
Атри и его коллеги оценили, сколько электронов может возникать в результате радиолиза, вызванного космическими лучами, на нескольких телах в нашей Солнечной системе. Лучшие показатели, по их расчётам, оказались у Энцелада: там эта реакция способна поддерживать более 700 000 бактериальных клеток в каждом кубическом дюйме льда на глубине около двух метров. Хотя на поверхности ледяной коры радиация была бы смертельно опасной, под ней гипотетические микробы были бы защищены от её наиболее разрушительного воздействия, отмечает Атри. И, возможно, они даже выработали бы собственные механизмы защиты — так же как многие земные организмы научились переносить низкоэнергетическое солнечное излучение, вырабатывая, например, меланин или просто загорая.
Идея жизни, питающейся радиолизом на ледяных мирах, вовсе не выглядит фантастикой. Земная бактерия Candidatus Desulforudis audaxviator способна существовать на глубине почти три километра, получая энергию от радиолиза, вызванного распадом радиоактивных элементов. А микроорганизмы‑психрофилы процветают в самых холодных уголках нашей планеты благодаря адаптациям вроде белков, препятствующих образованию кристаллов льда внутри клеток.
По этой причине исследователи предлагают расширить область поисков жизни до того, что они называют “радиолитической обитаемой зоной” — области, где космические лучи способны проникать в подповерхностный лёд или воду. В неё могут входить даже некоторые “планеты‑изгои”, не имеющие собственной звезды, отмечает Атри. Если такие миры не слишком холодны для химических реакций, поддерживающих жизнь — например, если в их недрах есть относительно тёплые участки, нагретые распадом радиоактивных элементов, — то радиолиз мог бы поддерживать там дремлющие формы жизни.
«Тем не менее, чтобы перейти от существования в спящем состоянии к полноценной, “процветающей экосистеме”, скорее всего, всё же потребуется какая‑то жидкая среда», — подчёркивает Атри.
Источником жизни могут быть и другие жидкости
Однако жидкостью дающей начало жизни может быть вовсе не вода. На некоторых каменистых планетах организмы гипотетические могли бы существовать благодаря расплавленным солям, говорится в исследовании, опубликованном в августе прошлого года в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Эти особые соли переходят в жидкое состояние при температурах ниже 100 °C. Формально их называют ионными жидкостями, и “их десятилетиями изучают в промышленности”, в том числе при создании лекарств, рассказывает соавтор работы Сара Сигер, астрофизик из MIT. По её словам, в предыдущих исследованиях ионные жидкости использовали как среду для химических реакций с участием различных строительных блоков жизни; внутри них “десятки белков остаются стабильными”.
Большинство известных ионных жидкостей созданы человеком, но Сигер и её коллеги наткнулись на такие, которые вполне могут возникать естественным образом на других планетах. Воссоздавая в лаборатории условия Венеры, один из исследователей заметил: когда он пытался испарить серную кислоту из искусственной атмосферы, неизменно оставалась капля странной жидкости.
Команда поняла, что серная кислота вступает в реакцию с глицином — аминокислотой, одним из строительных блоков белков, которую уже обнаруживали в атмосфере Венеры. В химических реакциях серная кислота стремится отдать положительно заряженный протон, поэтому она взаимодействует с молекулами, готовыми этот протон принять, объясняет Сигер. Органические соединения, содержащие азот — включая аминокислоты и основания генетического кода, — как раз относятся к таким молекулам.
Чтобы проверить эту идею, исследователи испытали более тридцати видов органических соединений, содержащих азот, — могли ли они образовывать ионные жидкости при взаимодействии с серной кислотой в разных температурах и давлениях. Большинство действительно образовывало такие жидкости, причём даже на поверхности базальта — одной из самых распространённых пород на других планетах. Это говорит о том, что подобные жидкости могут быть весьма распространены.
Эксперименты намекают: каменистые планеты, лишённые жидкой воды на поверхности — будь то из‑за слишком высоких температур или из‑за слишком разрежённой атмосферы, неспособной удержать воду, — теоретически могут поддерживать жизнь, основанную на ионных жидкостях.
По словам Сигер, для существования такого небесного тела, вероятно, потребовалось бы совсем немного подповерхностной воды и вулканическая активность, которая снабжала бы реакцию серной кислотой. При этом в атмосфере не должно быть воды: ионные жидкости “обожают воду” и легко её поглощают, что может изменить их свойства, добавляет она. Разумеется, должны присутствовать и органические соединения, содержащие азот — но, к счастью, они, насколько нам известно, довольно распространены на твёрдых планетах, по крайней мере в пределах Солнечной системы.
Более того, для зарождения жизни таких растворителей могло бы понадобиться совсем немного: поскольку ионные жидкости почти не испаряются, даже крошечные лужицы могли бы стать подходящими убежищами для гипотетических микроорганизмов.
Отказ от ожиданий в поисках инопланетной жизни
Хотя подобные гипотезы и ставят под сомнение само понятие обитаемой зоны, многие учёные считают, что этот термин по‑прежнему полезен. “Он никогда не задумывался как точная карта, указывающая, где искать планеты с возможной жизнью”, — говорит Сигер. — “Это всего лишь упрощённая модель, потому что объяснить, насколько много факторов делает планету обитаемой, невероятно сложно.”
Зак Адам из Университета Висконсин-Мэдисон называет обитаемую зону “очень удобным инженерным сокращением”, которое помогает исследователям, политикам и другим заинтересованным сторонам максимально эффективно использовать ресурсы. Если вы строите телескоп стоимостью в несколько миллиардов долларов, чтобы искать места, где может существовать жизнь, — говорит он, — “вам нужно понимать, куда его направлять”.
Некоторые из таких инструментов уже находятся в разработке. Например, Обсерватория обитаемых миров NASA, запуск которой ожидается не раньше начала 2040‑х годов, станет первым телескопом, специально созданным для поиска потенциально обитаемых планет у других звёзд. А Европейское космическое агентство работает над миссией LIFE — Большим интерферометром для изучения экзопланет, который будет состоять из четырёх космических телескопов, летящих в прямоугольной конфигурации, чтобы исследовать другие зоны космоса.
По словам Джеймса Кастинга, специалиста по атмосферным наукам из Университета Пенсильвании, создание таких инструментов для изучения далёких планетных систем может оказаться менее технически сложным, чем попытка пробуриться к подповерхностным океанам куда более близких Энцелада и Европы.
По его словам, каменистые планеты в обитаемой зоне — это, вероятно, самая простая цель, которая действительно может поддерживать жизнь. Но это вовсе не значит, что искать нужно только там. Мы, без сомнения, постараемся мыслить шире.
И всё же обнаружить жизнь, не похожую ни на что, к чему привыкли земные биологи, было бы чрезвычайно трудно.
«Но как вообще искать такую жизнь?» — задаётся вопросом Питер Гиргуис из Гарварда. — «Каков самый непредвзятый способ искать доказательства того, что что‑то действительно живо?» Огонь распространяется, минералы растут — но они не биологические. Внеземные формы жизни могут обладать химией и свойствами, совершенно чуждыми человеку, что сделает крайне трудным — если не невозможным — их обнаружение нашими инструментами.
Так что же — мы одни во Вселенной? Возможно, однажды мы найдём неопровержимые следы жизни где‑то ещё. А возможно, так и не сумеем распознать то, что находится прямо перед нами.
Оригинал: The Smothsonian Magazine
