Внеземная жизнь может быть совсем не похожа на земную
У нас есть только один пример формирования биологии во Вселенной — жизнь на Земле. Но что, если жизнь может формироваться и другими способами? Как искать инопланетную жизнь, если вы не знаете, как она может выглядеть?
Эти вопросы волнуют астробиологов - ученых, которые занимаются поиском жизни за пределами Земли. Астробиологи попытались вывести универсальные правила, которые управляют возникновением сложных физических и биологических систем как на Земле, так и за ее пределами.
Я астроном, который много писал об астробиологии. Благодаря своим исследованиям я узнал, что наиболее распространенной формой внеземной жизни, вероятно, являются микроорганизмы, поскольку одиночные клетки могут образовываться быстрее, чем крупные организмы. Но на всякий случай, если где-то там есть высокоразвитая инопланетная жизнь, я вхожу в международный консультативный совет группы, разрабатывающей сообщения для отправки этим цивилизациям.
Обнаружение жизни за пределами Земли
С момента первого открытия экзопланеты в 1995 году было обнаружено более 5000 экзопланет, или планет, вращающихся вокруг других звезд.
Многие из этих экзопланет маленькие и скалистые, как Земля, и находятся в обитаемых зонах своих звезд. Обитаемая зона - это диапазон расстояний между поверхностью планеты и звездой, вокруг которой она вращается, который позволил бы планете иметь жидкую воду и, таким образом, поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем на Земле.
Выборка обнаруженных к настоящему времени экзопланет позволяет провести 300 миллионов потенциальных биологических экспериментов в нашей галактике — или 300 миллионов мест, включая экзопланеты и другие небесные тела, такие как луны, с подходящими условиями для возникновения биологии.
Неопределенность для исследователей начинается с определения жизни. Кажется, что определить жизнь должно быть легко, поскольку мы узнаем жизнь, когда видим ее, будь то летящая птица или микроб, движущийся в капле воды. Но ученые не пришли к единому мнению относительно определения, и некоторые считают, что дать исчерпывающее определение может оказаться невозможным.
НАСА определяет жизнь как "самоподдерживающуюся химическую реакцию, способную к дарвиновской эволюции". Это означает, что организмы со сложной химической системой эволюционируют, приспосабливаясь к окружающей среде. Дарвиновская теория эволюции утверждает, что выживание организма зависит от его приспособленности к окружающей среде.
Эволюция жизни на Земле развивалась на протяжении миллиардов лет - от одноклеточных организмов до крупных животных и других видов, включая человека.
Экзопланеты находятся на большом расстоянии и в сотни миллионов раз слабее своих родительских звезд, поэтому их изучение является сложной задачей. Астрономы могут исследовать атмосферу и поверхность экзопланет земного типа, используя метод, называемый спектроскопией, для поиска химических признаков жизни.
Спектроскопия может обнаружить признаки присутствия кислорода в атмосфере планеты, которые микробы называют сине-зелеными водорослями, образовавшимися в результате фотосинтеза на Земле несколько миллиардов лет назад, или признаки хлорофилла, указывающие на растительную жизнь.
Определение жизни, данное НАСА, приводит к некоторым важным, но оставшимся без ответа вопросам. Универсальна ли теория эволюции Дарвина? Какие химические реакции могут привести к возникновению биологии за пределами Земли?
Эволюция и сложность
Вся жизнь на Земле, от грибковых спор до синего кита, произошла от последнего общего предка-микроба около 4 миллиардов лет назад.
Одни и те же химические процессы наблюдаются во всех живых организмах на Земле, и эти процессы могут быть универсальными. В других местах они также могут радикально отличаться.
В октябре 2024 года группа ученых из разных стран собралась, чтобы нестандартно взглянуть на эволюцию. Они хотели сделать шаг назад и исследовать, какие процессы создали порядок во Вселенной — биологический или нет — чтобы понять, как можно изучать возникновение жизни, совершенно не похожей на земную.
Двое присутствующих исследователей утверждали, что сложные системы химических веществ или минералов, находящиеся в условиях, которые позволяют некоторым конфигурациям сохраняться лучше, чем другим, эволюционируют, сохраняя большие объемы информации. Со временем система будет становиться все более разнообразной и сложной, приобретая функции, необходимые для выживания, благодаря своего рода естественному отбору.
Они предположили, что может существовать закон, описывающий эволюцию широкого спектра физических систем. Биологическая эволюция посредством естественного отбора может быть лишь одним из примеров этого более широкого закона.
В биологии информация относится к инструкциям, хранящимся в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК, которые в совокупности составляют геном организма и определяют, как он выглядит и как функционирует.
Если определить сложность в терминах теории информации, то естественный отбор приведет к усложнению генома по мере того, как он будет хранить больше информации об окружающей среде.
Сложность может быть полезна для определения границы между жизнью и неживым миром.
Однако неверно делать вывод, что животные более сложны, чем микробы. Биологическая информация увеличивается с увеличением размера генома, но плотность эволюционной информации падает. Плотность эволюционной информации - это доля функциональных генов в геноме или доля общего генетического материала, которая отражает приспособленность к окружающей среде.
Организмы, которые люди считают примитивными, такие как бактерии, обладают геномами с высокой плотностью информации и поэтому кажутся более продуманными, чем геномы растений или животных.
Универсальная теория жизни все еще не разработана. Такая теория включала бы в себя концепции сложности и хранения информации, но не была бы привязана к ДНК или конкретным видам клеток, которые мы находим в земной биологии.
Значение для поиска внеземной жизни
Исследователи изучили альтернативы земной биохимии. Все известные живые организмы, от бактерий до человека, содержат воду, и она является растворителем, необходимым для жизни на Земле. Растворитель - это жидкая среда, которая способствует химическим реакциям, в результате которых может возникнуть жизнь. Но жизнь потенциально может возникнуть и из других растворителей.
Астробиологи Уиллам Бейнс и Сара Сигер исследовали тысячи молекул, которые могут быть связаны с жизнью. Вероятные растворители включают серную кислоту, аммиак, жидкий углекислый газ и даже жидкую серу.
Инопланетная жизнь, возможно, не основана на углероде, который образует основу всех необходимых для жизни молекул — по крайней мере, здесь, на Земле. Возможно, для выживания ей даже не нужна планета.
Развитые формы жизни на чужих планетах могут быть настолько странными, что их невозможно будет узнать. Когда астробиологи попытаются обнаружить жизнь за пределами Земли, им придется проявить творческий подход.
Одна из стратегий заключается в измерении минеральных характеристик на скалистых поверхностях экзопланет, поскольку разнообразие минералов отслеживает биологическую эволюцию на Земле. По мере развития жизни на Земле использовались и создавались минералы для экзоскелетов и мест обитания. Количество сотен минералов, присутствовавших на момент зарождения жизни, сегодня выросло примерно до 5000.
Например, циркон - это простые кристаллы силиката, которые появились еще до зарождения жизни. Циркон, найденный в Австралии, является старейшим из известных фрагментов земной коры. Но другие минералы, такие как апатит, сложный кальцийфосфатный минерал, созданы биологией. Апатит является основным ингредиентом костей, зубов и рыбьей чешуи.
Еще одна стратегия поиска жизни, не похожей на земную, заключается в обнаружении признаков цивилизации, таких как искусственное освещение или промышленный диоксид азота в атмосфере. Это примеры признаков разумной жизни, называемых техносигнатурами.
Пока неясно, как и когда произойдет первое обнаружение жизни за пределами Земли. Это может быть в пределах Солнечной системы, или путем изучения атмосферы экзопланет, или путем обнаружения искусственных радиосигналов от далекой цивилизации.
Поиск - это извилистый путь, а не прямой. И это для жизни, какой мы ее знаем, — для жизни, какой мы ее не знаем, все ставки сделаны.
