Новые биомаркеры помогут искать жизнь на землеподобных планетах

Американские астробиологи Сара Зигер из Массачусетского технологического института и Виктория Мидоуз из Вашингтонского университета в Сиэтле разрабатывают критерии достоверного определения наличия жизни, подобной земной, на экзопланетах. И, похоже, у них получается.

Вопрос лишь в том, ограничена ли жизнь в своих проявлениях теми же рамками, что и на нашей планете.

Сейчас известно как минимум пять кандидатов в экзопланеты, находящихся на таком удалении от своей звезды, которое позволяет надеться на существование там жизни. Вкупе с недавними достижениями по анализу отдельных компонентов экзопланетных атмосфер всё это может привести к открытию там признаков жизни.

Но тут во весь рост встаёт вопрос о том, что может быть этими «бесспорными» признаками.

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, предназначенный для наблюдений в ИК-диапазоне, должен прояснить состав атмосфер целого ряда экзопланет. Но готовы ли астробиологи к тому, чтобы полноценно использовать эти данные? (Илл. НАСА.)

Бóльшая часть работы по поиску таких планет сосредоточена на обнаружении небесных тел вокруг красных карликов спектрального класса М, массой в 0,5 солнечных, к которым относят до 75% звёзд в нашей Галактике. Однако дистанция, на которой они могут находиться от своего светила, не теряя шансов на обитаемость, равна всего нескольким десятым от расстояния между Землёй и Солнцем. То есть прямое и чёткое изображение таких планет не может быть получено современными телескопами, ибо отражённый от них свет будет теряться на фоне их звёзд. Такими возможностями, правда, будут обладать некоторые грядущие телескопы — скажем, James Webb Space Telescope (да-да, космического базирования, со сроком запуска в 2018 году). Теоретически он должен уметь получать изображения такого рода.

Итак, какое вещество (вещества) может быть бесспорным индикатором жизни земного типа? По всей видимости, это не может быть один лишь кислород (или вода): атмосфера с относительно высоким содержанием кислорода способна образоваться и даже поддерживаться какое-то время вполне абиогенно. То же относится к воде: само её наличие не гарантирует жизни. По расчётам астробиологов, планета-океан при ожидаемых глубинах всепланетного «моря» (более 100 км) будет иметь вечный слой «горячего льда» между водной толщей и литосферой, блокирующий подпитку гидросферы солями и минералами. Не имея регулярной подпитки извне (интенсивной астероидной бомбардировки), она будет столь ограничена в веществах типа фосфора и других, необходимых для роста живых организмов, что даже доминирование на планете воды и кислорода вряд ли поможет торжеству и творчеству жизни.

С другой стороны, на Земле атмосферный кислород как минимум в первый миллиард лет существования жизни совсем не доминировал. Очевидно, для обнаружения планет, где жизнь находится на такой же ранней стадии развития, требуются иные биомаркеры. Хотя анаэробные бактерии, превалирующие в таких биосферах, и будут производить газообразные соединения серы, сами по себе они не смогут долго существовать в атмосфере (а значит — служить биомаркером) и со временем прореагируют с другими компонентами газовой оболочки, что приведёт к появлению этана. Именно этан, по мнению г-жи Мидоуз, будет главным маркером для в основном анаэробных биосфер. Проблема такого видения в том, что в Солнечной системе тоже есть этан (на Титане), однако температурный режим там таков, что за идею о существовании на Титане жизни земного типа не держится ни один разумный учёный. Ну а с экзопланетой точное определение её температуры без знания альбедо затруднено до полной невозможности. Следовательно, если бы мы и смогли зафиксировать наличие этана на небесном теле с климатом Титана, то нашли бы жизнь земного типа там, где ею и не пахнет.

В ходе проведённых Сарой Зигер и Викторией Мидоуз симуляций биосфер, подобных земной, выявилось не так много компонентов атмосферы, которые однозначно были бы надёжными биомаркерами. Однако весьма ободряющими оказались расчёты по устойчивости таких биомаркеров в атмосферах экзопланет в системах красных карликов. Дело в том, что красный карлик излучает значительно меньше ультрафиолета, чем звёзды типа Солнца, а тем более белые и голубые гиганты. А это значит, что интенсивность образования фотохимического разрушения метана на них значительно ниже — по оценкам, до 20 раз. С другой стороны, такой несомненно важный биомаркер, как озон (форма кислорода, получаемого при воздействии ультрафиолета), в условиях системы красного карлика также будет образовываться гораздо менее интенсивно.

Облака Титана тоже содержат этан, который, по В. Мидоус, является главным индикатором жизни докислородной эпохи. (Фото НАСА, JPL, SSI.)

Важным последствием очень высокого времени жизни метана в атмосфере оказалось то, что концентрация его в атмосфере землеподобной планеты при слабом ультрафиолете будет значительно выше, чем на Земле, до тех же 20 раз. Значит, парниковый эффект от его наличия станет гораздо значимее, ведь метан как парниковый газ значительно эффективнее углекислоты. А это может привести к тому, что планеты, находящиеся, по нашим представлениям, слишком далеко от своих светил, на деле будут иметь приемлемую температуру благодаря сильному метановому компоненту парникового эффекта.

Другими биомаркерами, которые также будет проще зарегистрировать в атмосферах экзопланет, должны стать хлорметан и закись азота — соединения, обычно разрушаемые озоном. По мнению исследователей, обнаружение таких веществ в верхних слоях атмосферы практически наверняка означает вероятность жизни на планете.

Основная сложность, по мнению астробиологов, в следующем: мы не всегда можем быть уверены том, что искомая жизнь будет вполне земной. Если же не ограничивать рамки поиска именно водоуглеродным циклом, то количество потенциальных биомаркеров расширится до потери ими малейшей значимости. Да, в идеале неплохо было бы рассматривать наличие любой пары сложных веществ, взаимно уничтожающих друг друга, как признак жизни. Но ровно такую ситуацию мы имеем на Марсе с Венерой, с серьёзными подозрениями на её аналог на Юпитере. В то же время, отмечают исследователи, вплоть до надёжного установления самой возможности существования не водоуглеродных живых существ в нашей собственной Солнечной системе все биомаркеры такого рода нельзя использовать для поиска следов жизни на экзопланетах.

Подготовлено по материалам Scientific American.