Предположим, мы открыли планету земного типа в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце, или карлика класса М. Как нам определить, есть ли там жизнь? Помимо длинного списка технических сложностей при попытках найти жизнь (на нем мы ненадолго остановимся), есть еще и трудности, связанные с эволюцией жизни как таковой. Достаточно отметить, что если бы кто-то три миллиарда лет назад наблюдал Землю в такие же телескопы, какие сегодня имеются у нас, он, скорее всего, не заметил бы никаких признаков жизни, хотя жизнь на Земле возникла более трех с половиной миллиардов лет назад. Дело в том, что зарегистрировать бесспорные биосигнатуры невозможно, если у живых существ не было времени модифицировать атмосферу планеты и ее поверхность настолько, что эти изменения были бы заметны при наблюдении в телескоп. Это мощное воздействие живых организмов на свою среду обитания отчасти и составляет так называемое «строительство ниши». Поясним, что, говоря о биосигнатурах на экзопланетах, мы имеем в виду любые характеристики, вещества и особенности, которые можно использовать как свидетельства существования жизни в прошлом или настоящем. По своей природе любые сигнатуры, полученные с большого расстояния, способны лишь предположительно указывать на существование жизни – если, конечно, речь не идет о бесспорных следах деятельности разумного, технологически развитого вида (техносигнатурах).
Об одном из лучших примеров строительства экологической ниши на Земле мы уже говорили. Это обогащение земной атмосферы кислородом через кислородный фотосинтез крошечных организмов – цианобактерий (или сине-зеленых водорослей). Стоит отметить, что еще 2,4 миллиарда лет назад земная атмосфера не содержала сколько-нибудь значительного количества кислорода. Примерно тогда концентрация кислорода начала расти и относительно быстро возросла на несколько порядков – произошла так называемая кислородная катастрофа. Следующий крупный рывок, после которого уровень кислорода достиг современных показателей, произошел лишь 460–750 миллионов лет назад. Более того, вероятно, что только после второго подъема уровня кислорода и в атмосфере, и в океанах на Земле стали возможны возникновение и диверсификация крупных многоклеточных организмов.
Другой, довольно неприятный пример воздействия живых организмов на окружающую среду на планете – перемены климата, которые сейчас происходят на Земле. Они приводят к сокращению биоразнообразия и повышению кислотности океанов. Многие ученые считают, что они вызваны деятельностью человека, и тогда получается, что люди впервые за 4,5 миллиарда лет существования нашей планеты получили возможность влиять на будущее земной биосферы. Для наглядности приведем цифры: кислотность океанов всего за 250 с чем-то лет – с начала промышленной революции – повысилась на 30 % из-за повышения уровня углекислого газа в атмосфере. Биоразнообразие – это общее количество жизни на Земле во всех ее формах, в том числе количество биологических видов, их генетические вариации и их взаимодействие в пределах сложных экосистем. В докладе ООН, опубликованном в 2019 году, ученые предупреждали, что вымирание грозит почти миллиону видов (из 8,7 миллиона ныне существующих, по разным оценкам).
Среди множества серьезных препятствий на пути к обнаружению жизни на экзопланетах – проблема отсеивания ложноположительных результатов, якобы биосигнатур, которые на самом деле имеют абиотическое происхождение, то есть возникли без участия живой материи. Мы уже говорили о такого рода трудностях, когда рассказывали об истории поисков жизни на Марсе и Венере, однако проблема сильно обостряется, когда имеешь дело с относительно ограниченными телескопными данными, полученными при наблюдении далеких экзопланет. Поэтому мы не станем рассматривать все потенциальные биосигнатуры и весь диапазон методов наблюдения, а сосредоточимся на тех немногих, которые, по нашему мнению, с наибольшей вероятностью приведут к успешному обнаружению жизни вне Солнечной системы в относительно близком будущем (если такая жизнь и вправду существует).
Сама идея, что можно открыть инопланетную жизнь, обнаружив газовые биосигнатуры, не нова. Еще в 1965 году Джеймс Лавлок, автор «гипотезы Геи», согласно которой живые организмы образуют синергетическую систему со своим неорганическим окружением, опубликовал статью под названием «Физические основы экспериментов по обнаружению жизни» («A Physical Basis for Life Detection Experiments»). Опередив свое время, в своей статье Лавлок назвал одним из признаков жизни газы, находящиеся в дисбалансе с остальной атмосферой. Он писал: «Ищите в атмосфере планеты составляющие, несовместимые друг с другом в долгосрочной перспективе. Например, в земной атмосфере сосуществуют кислород и углеводороды». Джошуа Ледерберг, молекулярный биолог и исследователь искусственного интеллекта, в том же году опубликовал статью о возможных способах поиска биосигнатур с особым упором на Марс.
Сама концепция внимания к газовым биосигнатурам проста. Метаболизм – одно из неотъемлемых свойств живой материи. При метаболизме производятся побочные продукты, которые со временем могут накапливаться в атмосфере. Если мы найдем способ обнаруживать такие газы в атмосферах экзопланет, эти планеты, по крайней мере в принципе, могут оказаться обитаемыми.
Теоретически выявить типы газов, которые могут сигнализировать о присутствии живых организмов, довольно просто. Либо это газы, которые не синтезируются в ходе чисто абиотических химических реакций, либо газы, которые не могут долго находиться в термохимическом равновесии в атмосфере. В последнем случае, если в атмосфере экзопланеты обнаружатся такие газы, это означает, что они постоянно вырабатываются в большом количестве, а самый вероятный их источник, как известно на сегодня, – живая материя.
Чтобы определить, какие именно газы искать, планетологи, метеорологи и астрофизики прибегают к двум разным, но взаимодополняющим стратегиям. Во-первых, поскольку на Земле есть жизнь, они рассматривают Землю как экзопланету и подробно изучают спектры земной атмосферы. С одной стороны, это делают космические аппараты, которые наблюдают Землю издалека (например, миссия «Эпокси» несколько месяцев наблюдала Землю с расстояния 50 миллионов километров), а с другой – земные исследователи, изучающие так называемое земное сияние (пепельный свет) – тот отсвет, который падает на темную часть лунного диска при отражении солнечного света от освещенной поверхности Земли.
Второй план действий состоит в том, что ученые создают тысячи компьютерных симуляций экзопланетных атмосфер, подробно отслеживают и изучают эволюцию атмосферной химии при самом широком диапазоне составов атмосфер и типов центральных звезд. Естественно, стремясь к тому, чтобы в модельную сеть реакций входили как все основные процессы, способные породить молекулы, которые можно выявить в атмосфере, так и процессы, способные разрушить или удалить эти молекулы.
Все эти интенсивные исследования позволили ученым составить «хит-парад» газов, которые с наибольшей вероятностью служат биосигнатурами. Этот список довольно короток. В него входят молекулярный кислород, озон, закись азота, а также вода и метан, которые играют важную вспомогательную роль.
Самые изученные во всех отношениях биосигнатурные газы – молекулярный кислород (состоящий из двух атомов кислорода) и в несколько меньшей степени его близкий родственник озон (состоящий из трех атомов кислорода). Кислород оказался на одном из первых мест в списке признаков жизни по вполне очевидным причинам. Во-первых, на Земле кислород вырабатывается почти исключительно как метаболический побочный продукт фотосинтеза бактерий и растений. Во-вторых, кислород преобладает в атмосфере Земли (21 % по количеству молекул). Концентрация кислорода в земной атмосфере примерно в сто миллионов раз выше, чем можно было бы ожидать при чистом (абиотическом) химическом равновесии. В-третьих, что очень важно при поисках жизни, у кислорода есть спектральные сигнатуры, которые в принципе можно распознать издалека. Например, молекулярный кислород дает довольно сильную полосу в отраженном свете в той части спектра, где видимый диапазон переходит в ближний инфракрасный, на длине волн 0,76 микрон (один микрон – миллионная доля метра). У этой спектральной полосы есть и то преимущество, что она не перекрывается со спектральными линиями других распространенных газов. Наконец, у кислорода есть еще одна особенность, которая делает его очень перспективной биосигнатурой: моделирование показало, что на планетах земного типа, вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце, едва ли можно ожидать накопления кислорода исключительно в ходе процессов, не связанных с живой материей (будь то геологических или фотохимических, когда свет разлагает воду или углекислый газ, высвобождая кислород). Иначе говоря, если бы мы нашли на такой экзопланете высокую концентрацию кислорода, скажем, на уровне 20 %, это было бы весьма многообещающим признаком жизни. Однако следует оговориться, что, по данным нескольких исследований, опиравшихся на модели атмосферной химии далеких миров, на планетах вокруг звезд другого типа (в частности, вокруг карликов класса М) может накапливаться абиотический кислород. Например, там, где океаны очень быстро испаряются из-за взрывного парникового эффекта, водяной пар выходит в стратосферу планеты, где впоследствии рассеивается под воздействием излучения центральной звезды, и это приводит к относительно высокой концентрации кислорода (водород при этом уходит в космос). Есть и другой абиотический механизм, способный вырабатывать и накапливать молекулярный кислород. Это расщепление жидкой воды непосредственно на поверхности планеты при участии оксида титана в качестве катализатора. Таким образом, детальные модели атмосфер справедливо указывают на опасность ложноположительных результатов: если мы обнаружим только молекулярный кислород (или озон, см. далее), это нельзя будет считать однозначным признаком жизни. При этом абиотическая выработка молекулярного кислорода или озона может сопровождаться другими признаками, позволяющими определить, что это небиологический процесс. Например, если кислород вырабатывается при расщеплении молекул водяного пара, это приведет к тому, что пара станет подозрительно мало.
Как мы уже отмечали, предположительным признаком жизни следует считать и химически неравновесное состояние атмосферы. В ходе одного исследования ученые выявляли самый резкий дисбаланс в земной атмосфере – с точки зрения того, сколько мощности (скорости затрат энергии) нужно для создания такого неравновесного состояния. Оказалось, что самый несбалансированный показатель – сосуществование высоких концентраций молекулярного кислорода, молекулярного азота и жидкой воды. Без участия живых организмов кислород, азот и вода были бы вовлечены в последовательность реакций, результатом которых стало бы равновесие с выработкой нитратов в океанах (нитраты – это соли азотной кислоты, HNO3). Следовательно, если мы найдем экзопланету, на которой есть эти три компонента (жидкая вода и высокие концентрации кислорода и азота), она станет весьма перспективным кандидатом на обитаемость. В принципе, такие открытия можно будет сделать при помощи телескопов следующего поколения. Мы будем открывать океаны благодаря эффекту блика, молекулярный кислород – посредством спектральных линий поглощения в ближнем инфракрасном свете, а молекулярный азот – по измерениям линии поглощения на длине волны 4,1 микрона, которая возникает при столкновении молекул азота между собой. Однако следует подчеркнуть, что если такое сочетание сигнатур в принципе можно обнаружить, это не означает, что такая находка проста или неизбежна. Это лишь означает, что в относительно близком будущем стоит поискать такие планеты.
Еще одна перспективная биосигнатура – озон. Озон в стратосфере Земли вырабатывается фотохимическими реакциями, при которых ультрафиолетовое излучение Солнца разлагает молекулярный кислород, а возникающие в результате атомы кислорода соединяются с молекулярным кислородом и создают трехатомную молекулу озона (обычно при участии молекулы азота, которая поглощает энергию). Озон сам по себе – привлекательная биосигнатура не только потому, что для его образования нужен молекулярный кислород, но и потому, что его спектральные линии поглощения расположены в ультрафиолетовом и в среднем инфракрасном диапазонах и не перекрываются с основными полосами молекулярного кислорода.
Хорошим кандидатом на биосигнатуру (по крайней мере, для привычной нам живой материи) считается и закись азота, состоящая из двух атомов азота и одного атома кислорода. На современной Земле этот газ обычно производят живые организмы через микробные реакции. Абиотических способов его выработки очень мало (разве что при ударе молнии), и они обычно дают лишь крошечные концентрации. На экзопланетах, вращающихся вокруг звезд с высокой магнитной активностью, ультрафиолет может создавать больше закиси азота, но такой процесс, по крайней мере в принципе, можно отличить от биологического, поскольку тогда следует ожидать обилия и других компонентов (в частности, окиси азота), которые мы сможем выявить.
В контексте поиска жизни, как мы уже видели в случае наблюдений и экспериментов на Марсе, часто упоминается и обсуждается метан. Метан – с термодинамической точки зрения самая стабильная углеродсодержащая молекула в восстанавливающих атмосферах (в частности, тех, где преобладает водород). Однако следует помнить, что метан вырабатывается не только одноклеточными организмами-метаногенами, но и в результате целого ряда небиологических процессов – как, например, на Титане, спутнике Сатурна, где его очень много. Однако метан все равно очень полезен, поскольку, если метан обнаружить одновременно с кислородом или азотом (или метан одновременно с другими окисляющими газами), это будет достаточно надежный признак биологической активности. Дело в том, что метан не может долго сохраняться в атмосфере, где есть молекулы, содержащие кислород, – примерно как едва ли можно ожидать, что в одном месте одновременно может существовать большое количество студентов и значительный запас шоколадного печенья. Метан быстро окисляется молекулярным кислородом[43] с образованием углекислого газа и воды. А следовательно, если они оба наблюдаются одновременно, запасы метана должны непрерывно обновляться, а самый простой способ сохранять запасы метана в присутствии кислорода – это процессы в живой материи. Верно и обратное. Чтобы сохранять кислород в атмосфере, где постоянно пополняется запас метана, надо непрерывно добавлять туда кислород, а это проще всего делать посредством реакций с участием живой материи. Одновременное присутствие углекислого газа (что обычно указывает на нейтральную или окисляющую атмосферу) и метана также указывает на вероятность наличия жизни, поскольку метан должен вырабатываться либо посредством биологических процессов, либо посредством реакций между горными породами и водой, которые косвенно указывают как минимум на существование жидкой воды на поверхности планеты. Как мы уже обсуждали в предыдущих главах, столкновения с крупными астероидами способны создавать временно восстанавливающую атмосферу типа Миллера – Юри. Этот эффект будет временным, но может продержаться несколько миллионов лет, в зависимости от размера астероида. Если мы найдем такую атмосферу, это будет очень интересно с точки зрения предбиологической химии, несмотря на всю неоднозначность биосигнатур, возникающих в подобных условиях.
Однако поиски метана на экзопланетах, даже отдельно от других газов, задача непростая, не то что на Марсе, где одновременно по поверхности путешествует марсоход, а на орбите вращается еще один космический аппарат. Самая сильная спектральная линия метана в инфракрасном диапазоне находится между семью и восемью микронами, где она перекрывается со спектральными линиями и закиси азота, и воды. Поэтому, чтобы подтвердить наличие метана на экзопланетах, нужны телескопы с более высоким спектральным разрешением. Вдобавок к этой сложности история земной атмосферы указывает, что одновременно обнаружить метан и кислород – это своего рода химера. На современной Земле концентрация метана так низка (примерно 1,6 части на миллион), что его спектральную линию было бы невозможно обнаружить издалека. С другой стороны, на совсем молодой Земле, скажем, в архейский эон с 2,5 до 4 миллиардов лет назад, когда уровень метана, вероятно, был выше, кислорода не было совсем. В то время обнаружить потенциальные живые организмы можно было бы по одновременному наличию углекислого газа и метана (в сочетании с жидкой водой и азотом).
Наконец, надо упомянуть и об интересной вероятности, что фотохимические реакции с участием высоких концентраций метана могут давать вполне определимую органическую дымку вроде той оранжевой дымки, которую мы наблюдаем на Титане, спутнике Сатурна. Она поглощает ультрафиолет, что дает отчетливую спектральную линию в наблюдаемом отраженном свете. Присутствие органической дымки само по себе не говорит о наличии жизни, однако она может указывать на потенциально обитаемые экзопланеты, которые стоит исследовать подробнее. Кроме того, такая дымка может возникнуть и после столкновения с крупным астероидом, которое приводит к временному дисбалансу в атмосфере.
Из-за риска ложноположительных результатов никакую газовую биосигнатуру саму по себе нельзя считать надежным признаком жизни. Поэтому, помимо самых перспективных кандидатов, астрономы рассматривают и некоторые другие газы, которые могут по крайней мере намекать на наличие жизни. В эту категорию, например, входят газы, содержащие серу. Такие газы в качестве биосигнатур важны во вторую очередь, несмотря на то, что метаболизм прямо производит серосодержащие газы вроде сероводорода и двуокиси серы. Дело в том, что вулканические и геотермальные процессы вырабатывают их в значительно большем количестве. Поэтому в контексте биосигнатур, пожалуй, интереснее рассматривать другие, не такие знаменитые серосодержащие газы. Исследования показали, что ультрафиолетовое излучение определенных типов звезд катализирует выработку большого количества этана из более сложных сераорганических соединений (наподобие диметилсульфида и диметилдисульфида). Поэтому аномально высокое содержание этана может указывать на наличие биосферы, богатой серой. Кроме того, поскольку у этана достаточно сильные спектральные сигнатуры в среднем инфракрасном диапазоне, его вполне можно обнаружить. Как мы узнаем далее из этой главы, в сентябре 2023 года было объявлено о вероятном, хотя и находящемся на пределе чувствительности, обнаружении диметилсульфида на одной из экзопланет – и это может оказаться восхитительным результатом (хотя исследователи говорят о своем открытии с большой осторожностью). На Земле основную часть диметилсульфида в атмосфере дает фитопланктон из океана, однако нужно еще изучить абиотические способы его синтеза.
Кроме того, исследователи изучили хлорсодержащий газ хлорметан. Обычно этот газ вырабатывается самыми разными растениями и водорослями, а также при гниении органических веществ, однако может синтезироваться и абиотически, например при вулканической активности. В качестве биосигнатуры этот газ не так привлекателен, поскольку в большинстве случаев не сохраняется в атмосфере надолго – он быстро реагирует с гидроксилом (радикалом, состоящим из атома водорода, соединенного с атомом кислорода). Пожалуй, единственное место, где хлорметан можно обнаружить с уверенностью, – атмосферы планет, вращающихся вокруг тех маленьких красных карликов (карликов класса М), на которых не случается вспышек и, следовательно, вода не разлагается под воздействием излучения.
Живые организмы меняют среду на планете, не только вырабатывая газовые биосигнатуры в атмосфере. Они также влияют на отражающие и поглощающие свойства поверхности планеты. А еще они создают сезонные и другие периодические вариации наблюдаемого спектра планеты. В следующем разделе мы ненадолго остановимся на потенциальных поверхностных биосигнатурах.