Жизнь сложна - в буквальном смысле, говорят астробиологи

Новая теория предполагает, что поиски молекулярной сложности могут обнаружить убедительные доказательства существования внеземной жизни - и сделать это в ближайшее время

Поиск внеземной жизни всегда был сопряжен с ложными срабатываниями - теми случаями, когда ученые думают, что нашли жизнь, но оказывается, что у них нет убедительных доказательств.

Архетипичным примером являются посадочные аппараты-близнецы НАСА "Викинг", которые в середине 1970-х годов предоставили противоречивые доказательства существования жизни на Марсе. Эти доказательства заключались в запахе радиоактивного углерода, распространяющегося из марсианской почвы, что намекало на наличие микробного метаболизма, но три других эксперимента по обнаружению жизни, которые проводил каждый аппарат, дали лишь нулевые результаты.

Еще более запутанные данные о жизни на Марсе появились в 1996 году, когда ученые обнаружили то, что могло быть микробными микрофоссилиями в марсианском метеорите, найденном в Антарктиде. Но последующие исследования показали, что предполагаемые микрофоссилии могли быть легко получены несколькими другими, совершенно абиотическими способами.

Совсем недавно исследователи, изучавшие атмосферу Венеры, заявили, что обнаружили там значительное количество фосфина - газа, который на Земле в основном производится микроорганизмами. Однако вскоре другие ученые поставили под сомнение достоверность этих измерений и предположили, что этот газ - если он вообще там был - образовался в результате какого-то странного, но безжизненного венерианского вулканизма.

В каждом случае картина была одинаковой: первоначальный восторг, затем скептицизм и, в конце концов, отказ. Снова и снова, похоже, астробиологи находят только инопланетные признаки жизни - так называемые биосигнатуры, - которые разочаровывают своей неубедительностью. Во многом это объясняется тем, что астробиологи по необходимости ищут самые простые и прочные формы жизни, возможные в суровых условиях потустороннего мира, а химические вещества и структуры, которые мы часто ассоциируем с такими организмами на Земле, часто могут быть получены абиотическим путем. И, конечно, химический состав инопланетной жизни может полностью отличаться от того, что мы наблюдаем на нашей планете. Есть ли лучший способ поиска?

Новая теория, опубликованная в журнале Nature Communications, утверждает, что да. Называемая теорией сборки, она отказывается от поиска простых химических биосигнатур, вместо этого принимая во внимание фундаментальную сложность жизни. В ее основе лежит идея о том, что любая форма биологии в любой точке Вселенной будет кодировать информацию о жизни в сложных совокупностях молекул, которые измеримо отличаются от безжизненной материи.

Для соавтора исследования Сары Уокер, биофизика из Университета штата Аризона, теория сборки является важной вехой в этой области, потому что она "представляет первую меру сложности, которую можно проверить в лаборатории". В более широком смысле, по ее словам, она дает нам "первый проблеск нашей способности связать глубокие теоретические идеи о природе жизни с эмпирическими наблюдениями".

В астробиологии апелляция к сложности уже давно набирает обороты. В свете неоднозначных результатов, которые могут быть получены в ходе исследований, ориентированных на простые химические сигнатуры, ученые разработали теории и определения жизни, которые обращают внимание на более сложные процессы - метаболизм, адаптацию, репликацию, эволюцию - которые могут помочь нам отличить живые системы от неживых. Например, в 1994 году НАСА приняло сложное определение жизни:

"Жизнь - это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции". Проблема в том, что ключевые понятия, лежащие в основе таких продвинутых рамок, сами по себе сложны, что затрудняет их проверку и количественную оценку. Попросите, например, пять разных биологов-эволюционистов дать рабочее определение "дарвиновской эволюции", и вы, скорее всего, получите пять немного отличающихся друг от друга ответов. Как объясняет главный научный сотрудник НАСА Джим Грин, "я не могу создать прибор, который будет искать "эволюцию", "размножение" или "метаболизм"".

Теория сборки может предложить более четкий, более общий способ распознавания жизни, как знакомой, так и чужой. Она основывается на двух связанных идеях: физической сложности и изобилии, утверждая, что по мере увеличения этих двух свойств для любого данного объекта в любой данной среде, шансы на абиотическое происхождение уменьшаются. Изобилие показывает, как часто объект появляется в окружающей среде, в то время как сложность объекта измеряется путем оценки количества шагов, необходимых для его сборки. Рассмотрим разницу между морским берегом, усеянным измученной водой галькой - ситуацию, которую легко можно приписать безжизненному процессу, - и берегом, усеянным ракушками с замысловатыми скульптурами.

Хотя теория является общей и может применяться ко многим видам объектов в широком диапазоне масштабов, исследователи рассмотрели, как она применяется к молекулам, возможно, самым важным строительным блокам биологии, которые ученые могут искать как в лаборатории, так и в космосе.

Новая теория предполагает, что поиски молекулярной сложности могут обнаружить убедительные доказательства существования внеземной жизни - и сделать это в ближайшее время.

Для ранжирования сложности молекул команда создала индекс массовой сборки, который алгоритмически присваивает номер массовой сборки (МА) различным видам молекул. В качестве доказательства концепции они использовали этот подход для индексации и ранжирования 2,5 миллионов молекул в широко используемой базе данных по химии. Молекула с МА, равным 1, имеет низкую сложность и, следовательно, более высокую вероятность абиотического происхождения; более сложным молекулам присваиваются более высокие номера. Состоящий из одного атома фосфора и трех атомов водорода газ фосфин - предполагаемая венерианская биопризнак - заслуживает MA только 1. Напротив, аминокислота триптофан заслуживает MA 12 благодаря своей сложной структуре, состоящей из 11 атомов углерода, 12 атомов водорода и по паре атомов азота и кислорода.

По словам Ли Кронина, химика из Университета Глазго, возглавлявшего исследование, это упражнение показало, что при определенном пороге - около 15 МА - вероятность абиотического производства молекулы в земных условиях становится астрономически низкой. По словам Кронина, она меньше, чем одна на 600 секстиллионов. Таким образом, молекулы с рейтингом MA 15 или выше почти всегда должны быть созданы жизнью.

Так значит ли это, что МА 15 - верный признак жизни повсюду? Нет. Во-первых, многие молекулы с низким рейтингом могут быть биосигнатурами - например, структурно простой молекулярный кислород, выделяемый в атмосферу Земли фотосинтезирующими организмами. Это означает, что, хотя теория сборки может снизить вероятность ложноположительных результатов в поиске жизни, она также соответственно повышает вероятность "ложноотрицательных результатов", позволяя подлинным биосигнатурам проскользнуть сквозь щели расследования.

В более широком смысле, говорит Кронин, хотя MA 15 кажется пороговым значением для жизни на Земле, этот порог может быть ниже в других местах для совершенно разных планетарных сред. По мнению Кронина, хитрость заключается в использовании теории сборки для определения разрыва, который должен существовать между химическими комбинациями, полученными абиотическим путем, и химическими комбинациями, полученными живыми системами - здесь или где-либо еще.

Для дальнейшего подтверждения своего подхода Кронин и его коллеги перепроверили свои теоретические расчеты сложности, используя масс-спектрометрическую фрагментацию для изучения большой выборки ранжированных молекул и веществ, разбивая каждую из них на составные части, чтобы подтвердить количество химических шагов, необходимых для их сборки. Эти экспериментальные результаты точно соответствовали теоретическим предсказаниям и надежно различали широкий спектр живых, неживых и мертвых веществ, включая бактерии кишечной палочки, дрожжевые клетки, растительные алкалоиды, золу, уголь, гранит, известняк и даже пиво.

Одно из самых интересных подтверждений было получено благодаря сотруднице Кронина и соавтору исследования Хизер Грэм, астробиологу из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Чтобы провести проверку теории, лаборатория Грэм отправила набор слепых образцов.

Один из них представлял собой законсервированный биологический материал из многомиллионнолетней окаменелости. Другой - образец из метеорита Мерчисон, болида, богатого органическими (но абиотическими) соединениями углерода, который упал на Землю в 1969 году. В ходе тестирования Кронин отметил, что материал Мерчисона отличается богатством сложных молекул, но все же оценил его как находящийся ниже порога MA 15 и, следовательно, безжизненный. Однако ископаемый материал был идентифицирован как признак жизни.

Для соавтора исследования и постдокторанта НАСА по астробиологии Коула Матиса на этом этапе исследования был поразительный момент, когда всем участникам стало ясно важное различие между "сложным образцом и сложной молекулой". В то время как странное разнообразие химических веществ, подобных тем, что присутствуют в Мерчисоне, может навести на мысль, что там присутствует нечто похожее на жизнь, на самом деле именно сложная молекула, которая указывает на организацию химии, является ключом к жизни.

Успех этих результатов и публикация работы вызвали первоначальное волнение. Стивен Беннер, химик из Фонда прикладной молекулярной эволюции в Алачуа, штат Флорида, который не принимал участия в исследовании, говорит, что он и его коллеги "чрезвычайно воодушевлены" теорией сборки.

Несмотря на это, добавляет он, Кронин и его коллеги должны ответить на многие вопросы, оставшиеся без ответа, особенно на вопрос о том, можно ли ее применить в "действительно экзотических условиях". Беннер предложил Кронину проверить подход на образцах "полусложного" материала, который группа Беннера синтезировала из простых углеродных прекурсоров в лабораторных условиях, имитирующих атмосферу Венеры. "Это реальная среда, - говорит Беннер, - которую вскоре снова посетит космическая миссия". Если венерианская жизнь существует в облаках над Венерой, она должна следовать химической логике, сильно отличающейся от той, которой следует жизнь на Земле". Это, по словам Беннера, делает Венеру лучшим местом для ближайшего испытания метрики молекулярной сложности.

В ответ Кронин заметил, что образцы Беннера представляют собой особую проблему, поскольку они погружены в серную кислоту, которая разлагает органические молекулы и тем самым снижает их обнаруживаемую органическую сложность. Тем не менее, говорит Кронин, "мы работаем над способом реконструкции этой сложности, поэтому я не теряю надежды, что даже в самых сложных образцах, если молекула не разрушена, мы сможем провести измерения".

Тем временем Грин и другие сотрудники НАСА задались вопросом, можно ли использовать теорию сборки для анализа данных, полученных с помощью многочисленных масс-спектрометров, которые побывали в других мирах во время различных межпланетных миссий агентства. Сначала Грин рассмотрел пример масс-спектрометра на орбитальном аппарате "Кассини", который пролетел через шлейфы водяного пара, выходящие из ледяной луны Сатурна Энцелада, но понял, что прибор "Кассини" регистрирует только массы до 100 атомных единиц массы (amu), а теория сборки работает только для молекул массой не менее 150 amu.

Хотя приборы на марсоходах Curiosity и Perseverance могут достигать 150 amu и выше, они также не справляются с этой задачей, поскольку им не хватает специфики для изучения отдельных видов молекул для измерения MA. Будущие миссии, говорит Грин, должны быть оснащены масс-спектрометрами, которые регистрируют более высокие массы и проводят измерения с большей точностью.

Есть перспективы у миссии НАСА Dragonfly - квадрокоптера с ядерным двигателем, который должен начать исследование атмосферы и поверхности луны Сатурна Титана в середине 2030-х годов. Грэм отмечает, что масс-спектрометр Dragonfly, хотя и не обладает некоторыми возможностями лабораторных спектрометров, будет способен обнаруживать сложные молекулы.

В будущем другие запланированные миссии могут искать признаки сложной молекулярной структуры жизни в астробиологических горячих точках Солнечной системы.

В конечном счете, предполагает Кронин, теория сборки может быть использована даже для оценки потенциальных биосигнатур, дистанционно обнаруженных в атмосферах потенциально пригодных для жизни экзопланет с помощью больших телескопов.