Биоподписи живого

Биоподписи живого

Теперь, когда за какое-то десятилетие обнаружено более сотни планет вне пределов солнечной системы, нам стало особенно интересно, есть ли среди них обитаемые. Находясь на Земле, можно спорить об этом сколько угодно, однако самый надёжный способ – слетать туда да посмотреть. Такую задачу ставит перед собой аэрокосмическое агентство НАСА.

В 2012 году НАСА планирует запустить специальный космический корабль под названием «Террестриал планет файндер» (сокращённо – TPF), что можно перевести на русский язык примерно как «определитель планет типа Земля». Иными словами, новый летательный аппарат должен быть чем-то вроде космического следопыта или разведчика, который будет находить пригодные для жизни планеты. Оснащённый телескопом, видеокамерами, множеством всяких датчиков и прочей сложнейшей аппаратурой, корабль будет бороздить просторы дальнего космоса в течение примерно шести лет. Не исключено, конечно, что он не обнаружит ничего интересного. Ведь может оказаться, что большинство из вновь открытых планет – лишь безжизненные газовые гиганты, на которых безумно высокая температура, всё кипит и клокочет. А нам требуется найти (и просканировать!) те из планет, где присутствуют химические признаки жизни, своего рода «биоподписи».

Для начала TPF будет искать планеты, похожие на Землю хотя бы по размеру. И такое намерение астрономов понятно: ведь Земля – единственная известная нам планета, которая бурлит жизнью. Потому мы невольно примеряем всё на себя. Скажем, наша «биоподпись» - это кислород и метан. А ведь так было не всегда. И, может, TPF обнаружит какие-то планеты, где условия более или менее похожи на те, что были у нас 3-4 миллиарда лет назад, когда живое только ещё зарождалось. Иными словами, сейчас многое зависит от того, какой поисковый алгоритм будет задан нашему космическому разведчику.

Если TPF и в самом деле удастся запустить в космос в ближайшие 10-15 лет, то аппарат придётся нацеливать на изучение множества звёзд, расположенных на расстоянии 40, а то и 50 световых лет от Земли, т.е. за 250-300 триллионов миль. И в первую очередь, конечно, нас интересуют те из звёзд, которые могут иметь свою планетарную систему. Сколько же их там, солнцеподобных звёзд? Может, 100, а может, и 120. И вокруг любой их них вполне могут кружиться на орбите живые, цветущие планеты, населённые разумными существами.

Понятно, что основных условий для разумной жизни – в нашем представлении – всего три: тепло, энергия и жидкая вода. Что до иных форм жизни, которым всё это не требуется, то фантазировать тут можно сколько угодно, а вот всерьёз предсказать (и обосновать!) возможные варианты никто пока что-то не берётся.

Словом, исходим мы из того, что знаем наверняка. А наверняка мы знаем лишь то, что видим на собственной планете, - «химию на базе углерода, зависящую от жидкой воды», как говорит специалист по спектроскопии Уэсли Трауб из Смитсоновского центра астрофизики. «Я уже смирился с тем, что искать придётся планеты, похожие на Землю в прошлом или настоящем», - признаётся он.

Заслонив собою свет, идущий от звезды к планете, телескоп TPF выполнит спектроскопический анализ (абсорбционную спектроскопию) слабого света, отражающегося от поверхности, чтобы определить и замерить наличие и количество молекул газа в планетарной атмосфере, - тех самых молекул, что блокируют конкретные частоты в световых волнах, отражаемых планетой.

В разработке программы для TPF принимал участие профессор геологических наук Джеймс Кастинг. Точнее сказать, он занимался проблемами обнаружения той самой «биоподписи» или «биоподписей», о которых говорилось выше. Каким должен быть спектроскоп для выполнения такой задачи? Должен ли он обнаруживать инфракрасный или видимый свет? В конце концов, на данном этапе учёные сошлись на четырёх видах газа, которые имеются в атмосфере Земли, - считается, что именно им мы обязаны жизнью.

Во-первых, это водород, т.е. водяные пары. Они важны потому, что указывают на наличие жидкой воды.

Во-вторых, это диоксид (двуокись) углерода, которая может создаваться как естественным, так и искусственным путём, т.е. в ходе биологических и не-биологических процессов. Поскольку углекислый газ требуется для фотосинтеза, его присутствие может свидетельствовать о наличии зелёных растений.

В-третьих, это метан: он тоже считается одним из индикаторов жизни, и также может возникать в ходе как биологических, так и не-биологических процессов.

И, наконец, это молекулярный кислород (О2) или его «заместитель» – озон (О3). Это наиболее надёжный показатель присутствия жизни, хотя и не безоговорочный.

Рассмотрим этот выбор более подробно.

Если молекулярный кислород постоянно не пополняется за счёт процессов фотосинтеза, он будет быстро израсходован химическими реакциями – будь то в атмосфере, на суше или в морской воде. На Земле поначалу было очень мало свободного кислорода – до тех пор, пока его не начали активно продуцировать цианобактерии и иные формы жизни, существующие на основе фотосинтеза. А это случилось около 2 миллиардов лет назад. Кислород мог быть тем ключиком, который открыл двери возникновению многоклеточных форм жизни, в частности, - крупных организмов, способных сформировать мозг. Накопление кислорода привело и к образованию озонового слоя, защищающего – подобно щиту – жизнь на Земле от вредоносных ультрафиолетовых лучей Солнца. Но разве не могло случиться так, что какие-то другие планеты изначально имели достаточное количество атмосферного кислорода? Более спокойная тектоническая активность могла обеспечить наличие большего количества кислорода, как, впрочем, и менее богатая железом среда. Вот почему присутствие больших объёмов кислорода в околопланетном слое атмосферы может служить намёком на то, что данная планета располагает экосистемой наподобие земной. Замеры количества кислорода могут оказаться полезными ещё и потому, что косвенным образом это поможет нам обнаружить живые планеты, подобные Земле до развития фотосинтеза.

«Мы даже сможем более или менее точно определить возраст звёзд, - считает создатель телескопов Невилл Вульф из Аризонского университета, кто, собственно, и предложил проект TPF. – Так что если TPF обнаружил бы, что более молодые звёзды располагают бескислородными планетами, а планеты более старых звёзд непременно имеют кислород, мы могли бы думать, что на молодых планетах жизнь, видимо, уже зародилась, но распространилась в окружающей среде не настолько широко, чтобы быть видимой».

Дополнительным индикатором связанной с кислородом «биоподписи» является наличие зелёных растений, которые этот кислород выделяют. Хлорофилл очень активно отражает свет, близкий к инфракрасному, - сразу же за тем порогом, который доступен человеческому глазу (если бы мы могли что-то видеть за пределами этого порога, растения казались бы нам красными, а не зелёными). Установки, которые будут на TPF, смогут без труда запечатлеть этот весьма значимый сигнал.

Что до метана, то он, конечно, далеко не всегда является биогенным, так что его обнаружение где-нибудь на дальней планете вовсе не обязательно будет означать присутствие жизни. Скажем, его следы есть на Юпитере и Сатурне. Однако, как указывает тот же Трауб, метан запросто продуцируется в примитивных солнечных туманностях. Вообще повсюду во вселенной «плавают» гигантские количества метана. А вот в нашей земной атмосфере TPF, может, даже и не заметил бы метана, если учесть нынешнюю концентрацию этого газа – 1,6 частей на миллион (чнм), поскольку его спектроскопические линии накладывались бы на линии воды. Тем не менее, примерно 2,3 или 3 миллиарда лет назад в атмосфере Земли было, очевидно, примерно 1000чнм метана – тогда он являлся побочным продуктом жизнедеятельности примитивных микроорганизмов, называемых метаногенными. Столь мощный метановый сигнал мог бы, вероятно, зафиксировать детектор типа TPF, и Кастинг считает метан «предположительной, но не убедительной «биоподписью».

А что же, в таком случае, можно считать убедительной «подписью»? Самая убедительная – обнаружение и кислорода, и метана.

«На Земле у нас огромное количество кислорода, - говорит Трауб, - так что метан вы никогда и не должны бы видеть – он весь тут же окисляется кислородом, образуя воду и углекислый газ. А если мы видим метан в атмосфере Земли, это означает, что равновесия нет. Такой (избыточный) метан должен постоянно производиться». И жизнь, проявляющаяся в форме матаногенных бактерий и растений на основе фотосинтеза, скорее всего будет источником этих двух газов.

По словам Кастинга, ещё в 1960-х годах британский биолог Джеймс Лавлок предложил считать убедительным индикатором жизни именно единовременное присутствие в атмосфере двух газов – кислорода и какого-то второго газа наподобие метана. «Ничто не может считаться совершенно непреложным, - говорит Кастинг, - и всё же это наилучший тест на наличие жизни».

Тем не менее, многие из существующих миров могут вовек не достичь той стадии, когда в их атмосфере накопится много кислорода. На Земле (а это единственный пример планеты, о которой мы всё доподлинно знаем) цианобактерии начали выделять кислород лишь 2,3 миллиарда лет назад. Примитивные формы жизни на планетах типа Земли могли пока ещё не одолеть этот временной барьер. Или, может, одолели, но не дошли до фотосинтеза. Как, в таком случае, можно обнаружить именно такие миры? Что для этого нужно сделать?

Пока что ясно только одно. Искать следует, конечно же, кислород (или озон) и следы какого-то газа типа метана, который не находился бы в равновесном состоянии с оксигенированной атмосферой. А вот что следует искать в атмосфере планет, где жизнь едва-едва готова зародиться, - это пока ещё сказать трудно. Астробиологи советуют особенно не обольщаться на предмет возможностей TPF – никто ведь не в состоянии предсказать, какой может оказаться инопланетная жизнь. Вовсе и не обязательно она должна быть белковой. Вульф, кстати, напоминает нам, что ещё какое-то десятилетие или два назад мы, по сути, ничего не знали о подземной биосфере Земли, которая – по некоторым прикидкам – составляет чуть ли не половину всей земной биомассы. И это здесь, у себя под ногами! Что уж там говорить о далёких планетах!

Остаётся лишь добавить, что все эти идеи изложены в январском (2003г) номере журнала «Астробиология» («Astrobiology»). И ещё – пригласить бы к обсуждению этой проблемы всех, кто надеется найти жизнь в космосе. Или, тем более, знает, как это сделать…

Владимир Грищенков

На грани невозможного #6(311),2003