|
Способность ледяных лун поддерживать жизнь
|
|
|
|
Новые обсерватории и космические миссии исследуют среды в нашей Солнечной системе, которые потенциально могут быть обитаемыми, но долгое время оставались скрытыми. Ледяные луны, такие как Энцелад Сатурна и Европа Юпитера, вероятно, содержат океаны под замерзшими внешними оболочками. Но слой льда препятствует прямому отбору проб космическими зондами.
|
|
|
|
Исследование этих ледяных лун почти криминалистическое: их поверхности хранят частичную запись недоступных внутренних областей. Ученым нужны инструменты, которые помогут им выяснить, находятся ли под ними свидетельства жизни, не наблюдая их напрямую.
|
|
|
|
Я планетолог, и мы с коллегами разработали инструмент, который может помочь оценить, имеет ли среда подходящие условия для жизни, на основе закономерностей в типах молекул, обнаруженных в образце.
|
|
В поисках «отпечатков пальцев» жизни
|
|
|
|
Поиск жизни часто начинается с органических молекул: углеродсодержащих молекул, из которых построена жизнь на Земле. Две особенно важные группы молекул — это аминокислоты, которые клетки используют для построения белков, и жирные кислоты, которые помогают формировать клеточные мембраны.
|
|
|
|
Однако эти молекулы не являются уникальными для жизни — они также могут образовываться в результате небиологических химических процессов. Ранее ученые обнаруживали их в астероидах и метеоритах.
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку обнаружение аминокислот или жирных кислот в планетарной среде само по себе не позволит исследователям определить, являются ли они результатом деятельности живых организмов или неживых, им необходимо искать дополнительные доказательства.
|
|
|
|
Одним из таких признаков является молекулярная хиральность. Некоторые аминокислоты существуют в двух зеркально симметричных формах. Небиологические процессы часто производят обе формы в одинаковых количествах, тогда как жизнь на Земле использует почти исключительно левосторонние формы. Сильный избыток одной формы может указывать на биологическую природу.
|
|
|
|
Другой признак заключается в балансе между более тяжелыми и более легкими формами одного и того же элемента в молекулах. Обычно жизнь предпочитает использовать более легкую форму.
|
|
|
|
Оба этих признака являются мощными индикаторами, но их трудно измерить в космосе. Для этого требуются чувствительные приборы, чистые образцы и зачастую больше материала, чем может достать космический аппарат. Тем не менее, текущие и планируемые миссии могут предоставить более ограниченный, но все же ценный вид измерений: список молекул и пропорции, в которых они обнаружены. Наше исследование демонстрирует, как исследователи могут использовать эту более простую информацию, чтобы узнать больше о химическом происхождении молекул.
|
|
|
|
Жизнь не просто производит определенные молекулы — она производит их в уникальных сочетаниях. Живые системы вкладывают энергию в создание молекул, выполняющих определенные функции, даже если эти молекулы сложны и их труднее сформировать. Белки, например, требуют широкого набора аминокислот, включая относительно сложные. Небиологическая химия также может создавать аминокислоты, но обычно она создает более простые.
|
|
|
|
В нашем исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, мы исследовали, оставляют ли эти молекулы статистический след, который мог бы служить биосигнатурой: измеримым признаком, который может указывать на существование жизни.
|
|
|
|
Для количественной оценки этой идеи мы использовали метод из экологии, называемый теорией разнообразия. Экологи задаются вопросом не только о количестве видов в конкретной экосистеме, но и о том, как эти виды распределены: преобладают ли в сообществе несколько очень распространенных видов или множество видов, встречающихся в сопоставимом количестве. Цель теории разнообразия состоит в том, чтобы составить список видов и определить распространенность каждого из них.
|
|
|
|
Мы применили ту же логику к молекулам. В рамках семейства, например, аминокислот, мы рассматривали каждую молекулу как вид в экологическом сообществе и измеряли ее численность. Мы хотели узнать: равномерно ли распределена данная смесь молекул по различным типам или в ней преобладают лишь несколько из них? И может ли эта закономерность отражать процесс, в результате которого образовались эти молекулы, будь то биологический или небиологический?
|
|
Проверка концепции
|
|
|
|
Для проверки этой идеи мы составили намеренно широкий набор данных, включающий аминокислоты из различных источников: метеориты, образцы с астероидных миссий, лабораторные модели небиологической химии, современные организмы, осадки, древние окаменелости и образцы из различных сред обитания на Земле. Позже мы проделали то же самое с жирными кислотами.
|
|
|
|
Для аминокислот мы обнаружили четкое различие. В биологических образцах, как правило, содержалось много сложных аминокислот в пропорциях, аналогичных пропорциям более простых. В небиологических образцах их обычно было меньше — то есть, в них преобладали простые молекулы.
|
|
|
|
Этот результат логичен. Если биология может преодолеть химические «узкие места», необходимые для создания более сложных молекул, то следовало бы ожидать большего их количества. С другой стороны, небиологическая химия более ограничена и характеризуется преобладанием молекул, образующихся случайным образом. Сложные молекулы гораздо реже образуются в небиологических условиях.
|
|
|
|
Жирные кислоты продемонстрировали противоположную, но столь же информативную картину. Цепочки жирных кислот составляют внешние мембраны живых клеток. Мы обнаружили, что в биологических образцах все цепи жирных кислот имели одинаковую длину. Напротив, небиологические образцы имели более широкое распределение длин цепей.
|
|
|
|
Несмотря на то, что, в отличие от результатов по аминокислотам, небиологические образцы показали большее разнообразие жирных кислот, это открытие по длине цепи подтвердило основную идею нашего исследования: жизнь формирует молекулярные смеси в соответствии с функцией.
|
|
|
|
В совокупности наши результаты показывают, что молекулярное разнообразие может служить новым видом биосигнатуры. Он не может сам по себе доказать наличие жизни, и его следует интерпретировать наряду с другими измерениями. Но он предлагает практический способ использования тех данных, которые, скорее всего, будут получать космические аппараты: пропорций молекул.
|
|
Поиски жизни в Солнечной системе и за ее пределами
|
|
|
|
Космические корабли будущего вряд ли найдут первозданный биологический материал, даже если он существует. Скорее всего, они столкнутся с химическими следами молекул, измененными суровыми условиями на поверхностях планет.
|
|
|
|
Далее мы хотели знать, как долго сигнал разнообразия сможет сохраняться в суровых условиях, в которых могут искать ученые, например, на поверхности Европы. Его поверхность постоянно бомбардируется энергичными частицами, захваченными магнитным полем Юпитера, которые могут разрушать различные органические молекулы с разной скоростью.
|
|
|
|
Мы смоделировали, как эти молекулы будут разлагаться в таких условиях, и обнаружили, что сигнал разнообразия может оставаться узнаваемым в течение тысяч лет, когда молекулы погребены под слоем льда толщиной в несколько сантиметров. Сигнал не является нерушимым, но для него не требуется исключительно свежий образец.
|
|
|
|
Наши результаты показывают, что в некоторых случаях узор, оставленный жизнью, все еще можно распознать даже после того, как отдельные молекулы начали разрушаться.
|
|
|
|
Вывод из нашего исследования заключается в том, что жизнь организует химические процессы таким образом, что они могут сохраняться даже после изменения этих ингредиентов. Живые системы организуют молекулы в соответствии с биологическими потребностями, в то время как небиологическая химия обычно следует тому, что легче всего произвести.
|
|
|
|
Если эта организация сможет выжить в планетарных материалах, будущие космические корабли смогут искать не только строительные блоки жизни, но и более глубокие статистические закономерности, которые жизнь оставляет после себя.
|
|
|
|
Источник
|
