Есть ли жизнь в метановом море Титана?

Добро пожаловать на Титан, самую большую из многочисленных лун Сатурна. Эта таинственная планета размером примерно с Меркурий совершенно не похожа на нашу, и тем не менее, она каким-то странным образом напоминает Землю. Как и на Земле, атмосфера Титана состоит в основном из азота, но он смешан с метаном. Там есть горы, долины, дюны, а также реки и озера. Но наполнены они не водой, а маслянистым углеводородным коктейлем из этана и метана. Титан — единственная планета в нашем окружении, где на поверхности есть крупные скопления жидкости. И по мнению некоторых ученых, это может свидетельствовать о наличии там жизни.

«Мы считаем, что для жизни нужна жидкость», — говорит исследователь планет из Центра Эймса при НАСА Крис Маккей (Chris McKay). Жизнь нуждается в среде, которая сближает химические вещества, обеспечивая их вступление в реакции, но не так плотно, чтобы они не могли перемещаться. Газы слишком диффузны, а твердые тела слишком плотны, чтобы там могла развиваться жизнь в известных нам формах. Тем не менее, «существует превратное представление, что такой жидкостью обязательно должна быть вода», добавляет Маккей. На то есть определенные основания. Вода - это отличный растворитель для химических структур жизни. Она остается в жидком состоянии при широком разбросе температур, и в ней формируют свою структуру сложные молекулы, такие, как ДНК и белки.

В ходе космических исследований мы занимаемся в основном поисками воды. Роботы НАСА ползают по пыльной поверхности Марса, а телескопы ищут далекие планеты, обращающиеся по орбите вокруг своих звезд в поясе Златовласки, который не слишком горяч, но и не слишком холоден для существования воды в жидком состоянии. Мы знаем, как искать жизнь, в основе которой лежит вода. Наши телескопы ощупывают атмосферу планет в поисках главных признаков — кислорода и метана.

Весь земной кислород вырабатывают живые организмы, а 90% метана — обитающие в водной среде микробы. Зачастую они живут в экстремальных условиях — в горячих источниках, под километровой толщей льда, в кишечнике у животных. Группа ученых НАСА из Центра космических полетов имени Годдарда в 2003 году обнаружила метан на Марсе, что взбудоражило научный мир и вызвало массу разговоров о его происхождении. В 2013 году марсоход Curiosity нашел потенциальный источник метана возле кратера Гейла, который был когда-то наполнен водой, где могли счастливо обитать микробы.

Облетающие планеты зонды свидетельствуют о том, что на большой глубине под замерзшей поверхностью спутника Юпитера Европы, спутника Сатурна Энцелада и даже на Титане есть огромные океаны воды в жидком состоянии. Ученые сходятся во мнении, что эта вода приведет нас к внеземным формам жизни. «Большинство моих коллег-биохимиков - убежденные шовинисты, с презрением относящиеся ко всему, кроме водяной теории жизни», — говорит Маккей.

Когда-то и он думал так же.

«Я заинтересовался внеземной жизнью, когда на Марсе в 1976 году совершил посадку „Викинг", — вспоминает Маккей. — Меня озадачило то, что несмотря на все признаки жизни, ничего подобного мы там найти не могли. Как будто ты нашел дом, в нем горит свет, а внутри никого. Так я заинтересовался космической биологией».

Но когда были открыты углеводородные моря Титана, Маккей начал думать иначе. «Для меня особое очарование Титана заключается в том, что мы можем найти там по-настоящему внеземную жизнь — ведь все, что живет в жидком метане, не имеет никакого отношения к жизни на Земле», — говорит он. Например, основа земной жизни ДНК даже не растворяется в метане и этане. «Эта жизнь может основываться на ином наборе молекул и взаимосвязей», — соглашается с ним химик Майк Маласка (Mike Malaska), работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА.

Маккей говорит, что поиски второго происхождения жизни вызывают у него исследовательский зуд. Это вызов, но это также возможность. Если на Титане найдут жизнь, она определенно не будет занесенной с Земли, а это повышается вероятность того, что жизнь будет найдена и в других местах вселенной.

Титан открыл в 17-м веке голландский астроном Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens). В 1907 году испанский астроном Хосе Комас Сола (Josep Comas Sola) обнаружил его толстый атмосферный слой. А в 1944-м американский астроном голландского происхождения Джерард Койпер (Gerard Kuiper) (в его честь назвали пояс Койпера) доказал, что в атмосфере Титана есть метан и азот. Конечно, азот присутствует в больших количествах и в земной атмосфере, а поэтому «игра в разбор состава Титана, она в основном ради удовольствия, потому что он такой экзотический, и в то же время, такой земной», говорит планетолог Джеффри Каргел (Jeffrey Kargel) из Университета Аризоны.

Космический зонд НАСА «Пионер-11» пролетел мимо Титана в 1979 году, и тогда было сделано заключение о том, что он слишком холодный для жизни. Затем в 1980-м и в 1981 году в его окрестностях побывали «Вояджер 1» и «Вояджер 2» Несмотря на дымку в атмосфере, «Вояджеры» сумели взглянуть на его поверхность и заметили нечто похожее на дающие отблеск озера. Но поскольку температура поверхности на Титане минус 180 градусов, это не могла быть вода. Оставался только один вариант — углеводороды, такие как метан и этан. Ученые НАСА считают, что твердый метан входил в первоначальный состав Титана, и вышел на поверхность либо в результате вулканической активности, либо от столкновения. Подобно круговороту воды на Земле, метан испаряется в атмосферу, где солнечный свет преобразует его в более сложные углеводороды, такие как этан.

На первый взгляд, испарившиеся углеводороды могли даже создать на Титане огромный океан. Среди ученых это открытие вызвало более спокойные дебаты о том, может ли существовать жизнь в мире жидких углеводородов. «На третьем месяце моей карьеры после выпуска из вуза „Вояджер 1" пролетел мимо Титана, — говорит Джонатан Лунин (Jonathan Lunine) из Корнельского университета. — Углеводородная жизнь на Титане, если она существует, так сильно отличается от биохимического состава воды, что сразу становится понятно — она возникла самостоятельно и независимо от земной. Ну разве можно не испытывать страсть, исследуя этот загадочный мир?»

В 1995 году он вместе с Маккеем написал статью для журнала Astrophysics and Space Science Proceedings, в которой рассказал, как предшествовавшие жизни химические процессы на Земле выглядят в сравнении с Титаном. Оба ученых участвовали в подготовке очередного полета НАСА к Титану. На сей раз планировалось отправить спускаемый аппарат — на самое большое расстояние в нашей Солнечной системе. Запуск «Кассини» на Сатурн был запланирован на 1997 год. Прибыть на орбиту этой окольцованной планеты он должен был 1 июля 2004 года. К «Кассини» прикрепили зонд, который должен был отстыковаться на шестом месяце орбитального полета. Его назвали в честь Гюйгенса. Размером он был с небольшой автомобиль, а по форме напоминал летающую тарелку. Зонд должен был совершить посадку на поверхности углеводородного моря и проанализировать его состав.

За пару месяцев до отстыковки «Гюйгенса» от «Кассини», которая была запланирована на Рождество, в издании Current Opinion in Chemical Biology была опубликована важная работа, которая вызвала ажиотаж по поводу того, что может найти зонд. Известный химик Стивен Беннер (Steven Benner), ныне работающий в Вестхаймеровском институте науки и техники во Флориде, утверждал, что хотя полярный характер воды помогает молекулам растворяться и складываться в том виде, который подходит для жизни на Земле, это не строгое и непреложное требование для возникновения и существования жизни.

Жидкостям просто приходится давать молекулам возможность вступать в реакцию друг с другом. Но это также возможно с метаном и этаном. «Я думаю, нам важно рассмотреть все жидкости, — сказал Беннер. — На Титане особенно, потому что его моря и реки содержат углеводороды, которые могут использоваться для обеспечения существования примитивных клеток и примитивного обмена веществ». Эта работа самым коренным образом изменила характер дискуссии о метане как об альтернативной жидкости для жизни. «Если раньше это была болтовня за чашкой кофе, то теперь началась серьезная работа», — говорит Маккей.

Спустя два месяца «Гюйгенс» опустился на парашюте на Титан, пройдя сквозь плотные оранжевые облака, и преподнес большой сюрприз. Он не нырнул в метановый океан. Он с брызгами шлепнулся в метановую грязь. Что же случилось с мерцающими озерами и океанами, которые увидел «Вояджер»?

Поскольку срок действия батарей у «Гюйгенса» был ограничен, он передавал данные с Титана всего 90 минут. Прошло еще несколько месяцев, прежде чем «Кассини» заметил первое озеро, и вскоре стало ясно, что озера и моря на Титане есть, однако все они сосредоточены на полюсах.

Это была неудача, но в 2009 году команда исследователей из НАСА начала готовить следующий полет, посвященный внеземной океанографии. Это будет недорогой спускаемый аппарат с названием Titan Mare Explorer (TiME) (Исследователь морей Титана). Нацелится он на море Лигеи — второе по величине море этой планеты в северном полушарии. Если запуск будет осуществлен в 2016 году, аппарат прибудет на Титан в 2023 году, то есть, за два года до того, как орбита этого спутника Сатурна сделает полярный регион недоступным для прямой связи с Землей. После этого космический аппарат не сможет напрямую говорить с Землей вплоть до 2040 года. Но средств у НАСА оказалось мало, и TiME проиграл в соперничестве с марсианской программой.

Однако Маккей говорит, что у TiME еще есть шанс получить финансирование до того, как закроется окно запуска. Другая команда во главе с астробиологом Натали Кэброл (Nathalie Cabrol) из Центра Эймса совместно с Институтом поиска внеземного разума SETI занимается испытаниями и проверками той техники и технологий, которые могут понадобиться спускаемому аппарату после посадки на Титан. На протяжении последних трех лет их посадочный модуль по исследованию внеземных морей Planetary Lake Lander плавает по чилийскому горному озеру Лагуна-Негра в центральных Андах. Конечно, это не углеводородное озеро, но оно находится возле ледника Эчауррен и является идеальным местом для проверки робота, который должен реагировать как на резкие, так и на малозаметные изменения в окружающей среде.

Так или иначе, но спускаемый на Титан аппарат должен действовать в основном автономно. Если Марс гораздо ближе Титана, и у него на орбите есть несколько космических аппаратов, помогающих передавать данные, то на Титане все иначе, и «мы не сможем посылать оттуда такое же количество данных», говорит физик Ральф Лоренц (Ralph Lorenz), работающий в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, и участвующий в проекте TiME. Одна из задач разработчиков спускаемого аппарата заключается в создании бортовых систем, которые должны заниматься отбором научных данных для их отправки на Землю, отмечает он.

В ожидании следующего полета на Титан Лунин и Маккей пытаются воссоздать кусочек Титана в своих лабораториях, занимаясь этим уже более десяти лет. «Жизнь это построение структур, улавливание и использование энергии, а также хранение и передача информации, необходимой для синтеза молекул, которые делают все эти вещи, — говорит Лунин. — Если мы сумеем доказать наличие на Титане молекул, создающих структуры и улавливающих энергию, то мы сможем делать некоторые конкретные прогнозы о том, что нам надо искать, когда мы вернемся, наконец, на поверхность Титана, вооруженные приборами нового поколения, превосходящими оборудование „Гюйгенса"».

Несмотря на утверждения о том, что озера Титана слишком холодные для появления и развития там жизни, Лунин и Маккей непоколебимы. «Люди говорят: „Бросьте вы это, в неполярной жидкости при таких температурах ничто не может раствориться", — рассказывает Маккей. — Но проверить это можно только экспериментальным путем».

В ходе последних экспериментов в рамках пятилетней программы НАСА коллектив Маккея исследует, мог ли сформироваться на Титане «первичный бульон» — раствор из сложных молекул, на основе которого может появиться простая жизнь. Результаты первого года исследований появились совсем недавно, и они были дополнены последними данными, полученными с «Кассини», которые опубликовали в декабре 2013 года. Приборы «Кассини» показали, что в атмосфере Титана содержатся газообразные органические молекулы с высоким содержанием азота, а также оранжевая дымка, состоящая из твердых органических частиц толинов, которые постепенно опускаются на поверхность и попадают в моря и озера Титана.

Но растворяются ли толины в жидкости, делая шаг к эволюции первичного бульона? Задавшись целью искусственно вырастить толин, ученые создали газовую смесь, на 90% состоящую из азота и на 10% из метана, а затем в течение нескольких недель облучали ее искусственным солнечным светом. Появившийся в результате коричневый туман обладал оптическими свойствами, соответствующими тем, которые «Кассини» увидел на Титане. Затем ученые растворили лабораторный толин в углеводородах того типа, которые, на их взгляд, заполняют озера Титана.

Сначала они смешали несколько сотен миллиграммов толина со 100 миллиграммами углеводорода изопентана, который из того же семейства, что метан и этан. При комнатной температуре он находится в жидком состоянии. Когда толин растворился, исследователи охладили смесь до температуры Титана, разбавив ее жидким этаном. Некоторые составные элементы толина остались в растворе. «Это говорит о том, что твердые органические вещества из атмосферы действительно могут растворяться на поверхности, создавая предпосылки для возникновения жизни, — отмечает Маккей. — По этому вопросу было больше всего критики, и вот мы нашли ответ. Мы не доказали, что жизнь там возможна, но мы показали, что возможен некий раствор».

Последние данные с «Кассини» придают больше веса идее о том, что эксперименты Маккея действительно являются отражением происходящего на поверхности Титана. «Новые наблюдения показывают, что испаряющиеся озера и реки Титана оставляют после себя осадок», — рассказывает Маккей. Это значит, что жидкость в озерах не является абсолютно чистой, что это должен быть раствор.

Параллельно экспериментам Маккея с моделированием озер Титана Лунин проводит свои опыты, исследуя солнечный свет. Один из доводов критиков против попыток найти жизнь на Титане заключается в том, что там исключительно низкие температуры. Они достигают −180°C, а это на 90 градусов холоднее самой низкой температуры, зафиксированной в Антарктиде. Это снижает растворяемость химических веществ и замедляет химические реакции. «Кое-кто утверждает, что там слишком низкие температуры, при которых химические реакции не могут происходить со скоростью, позволяющей возникнуть жизни, — отмечает Лунин. — Но сама жизнь основана не на зависящих от температур химических реакциях, она основана на энергии, которую дает солнечный свет за счет фотосинтеза. Поэтому мы изучаем, не может ли нечто подобное происходить на Титане».

Хотя количество солнечного света на поверхности Титана в тысячу раз меньше, чем на нашей планете, его достаточно для некоторых биологических процессов, говорит Лунин. Задача состоит в том, чтобы определить, могут ли какие-то молекулы Титана выполнять ту функцию, которую в растениях выполняет хлорофилл, улавливающий световую энергию, необходимую для химических реакций.

Есть одна молекула, подающая надежды, говорит Лунин. Это полимер одного из самых многочисленных продуктов химического состава атмосферы Титана, называемого ацетилен. Сейчас ученые пытаются выяснить, может ли эта энергия передаваться другим молекулам, чтобы вызывать химические реакции, примерно аналогичные фотосинтезу.

Эксперименты Маккея и Лунина вызывают неоднозначную реакцию в научных кругах, хотя оба исследователя надеются, что теперь все больше ученых будет отказываться от своей мантры «вода, вода, вода».

Но убедить им удалось далеко не всех.

«Как мне кажется, шансы на существование жизни на Титане очень невелики. Они еще меньше сейчас, когда мы знаем, как организовать эксперимент, результаты которого на данную тему мы можем толковать с уверенностью и определенностью», — говорит планетолог Кэролин Порко (Carolyn Porco), отвечающая за обработку изображений с «Кассини».

Однако мы открываем все новые планеты за пределами Солнечной системы. И возможно, говорит Каргел из Университета Аризоны, что там существует множество поясов Златовласки, где на поверхности планет или в атмосфере есть различные стабильные жидкости. «Где-то там есть неоновая луна, где-то море спирта, где-то океан из расплавленной магмы и кремнесодержащая атмосфера, поливающая планету дождем из расплавленных пород. Какие из этих жидкостей могут обеспечить развитие жизни? Мы этого точно не знаем», — заявляет Каргел.

Ведущий научный специалист НАСА Эллен Стофан (Ellen Stofan) утверждает, что поиски воды, исследование Марса, Европы и Энцелада это только первый шаг. «Но все равно имеет смысл раздвинуть горизонты и спросить, могут ли другие жидкости способствовать возникновению жизни», — говорит она. Как считает Стофан, по логике вещей следующим объектом должны стать моря на Титане.

Сейчас, когда роботы становятся все более совершенными, Лунин и Маккей надеются, что НАСА скоро все же примет решение отправить зонд для изучения морей Титана. «На мой взгляд, мы знаем достаточно для того, чтобы отправить в моря Титана масс-спектрометр. Миссия „Кассини" в 2017 году закончится, и мы уже знаем, что Энцелад и Титан это очень интересные места для изучения. А поэтому я надеюсь, что мы не будем еще двадцать лет жить в ожидании такого полета», — говорит Маккей.

Есть и другая причина для полета на Титан с целью его изучения, отмечает Майк Маласка. Кроме углеводородов на поверхности, глубоко под замерзшей коркой Титана существует подповерхностный океан жидкой воды. «Если сложные органические молекулы пробрались с поверхности в океанские глубины, то мы имеем смесь воды и таких сложных органических молекул. А это создает самые разные и очень интересные возможности», — утверждает он.

Надеясь на будущий полет на Титан, Лунин и Маккей продолжают лабораторные работы над своими странными химическими составами на углеводородной основе. «Наука —дело трудное, она требует много времени, и в ней много тупиков, — говорит Лунин. — Чтобы все сделать правильно, надо больше времени, чем отведено любому из нас».

Но Маккей добавляет: «А чем еще заниматься? Смотреть телевизор?»