24.03.2019. - Как ученые используют Землю для поиска инопланетной жизни

Как ученые используют Землю для поиска инопланетной жизни

Происхождение жизни на Земле до сих пор остается открытым вопросом, а ученые строят гипотезы, как именно первые микроорганизмы попали на нашу планету. Одна из таких гипотез — панспермия — говорит о возможности переноса живых организмов через космическое пространство как с астероидами и кометами, так и с космическими аппаратами. Сегодня исследователи изучают стратосферу, чтобы зафиксировать принесенных извне бактерий-экстремофилов, а заодно изучить условия, сходные с теми, что существуют на потенциально обитаемых планетах, таких как Венера, Марс или спутники Европа и Титан. «Хайтек» рассказывает, где и как Земля помогает ученым исследовать инопланетную жизнь.

Сегодня поиски инопланетной жизни ограничены только технологическими возможностями человечества. На ближайший к Земле Марс недавно отправился зонд InSight, посадку которого НАСА транслировала в прямом эфире. Астробиологов интересует в Солнечной системе не только Красная планета. В круг потенциально «обитаемых» небесных тел входит Венера, спутник Юпитера Европа, Энцелад и Титан, вращающиеся вокруг Сатурна — на них могут быть живые микроорганизмы или следы жизни, которая когда-то существовала.

Условия на этих далеких соседях Земли называют экстремальными. Венерианская температура не позволяет исследовать раскаленную поверхность планеты, которая прогрета до 470 °C, а труднодоступность Европы, Энцелада и Титана становится еще большим препятствием для ученых: ближайший запуск зонда к Европе запланирован на 2025 год, а вопрос аналогичных проектов для других спутников пока не решен вовсе.

Сверхмощные космические телескопы открыли человечеству планеты, существующие вне Солнечной системы. На смену знаменитому Kepler пришел усовершенствованный экзопланетный телескоп SPECULOOS, который получит детальные изображения поверхностей ближайших экзопланет и более мелких экзоспутников. Астрономические объекты этого типа находят и за пределами нашей галактики — ученые из Университета Оклахомы использовали микролинзирование, чтобы обнаружить скопления экзопланет на удалении 3,8 млрд световых лет.

Экзопланеты — планеты, вращающиеся вокруг иных светил, кроме Солнца. Сегодня ученые знают о существовании примерно 100 млрд подобных экзопланет в галактике Млечный путь, и до 20 млрд из них могут быть подобны Земле.

Несмотря на огромное количество потенциально обитаемых планет, задача по поиску внеземной жизни не облегчается. Команда астрономов Вашингтонского государственного университета во главе с Дирком Шульце-Макучем разработала специальную схему классификации экзопланет, призванную облегчить каталогизацию — формулу Индекса планетной обитаемости (PHI), учитывающую твердость поверхности планеты, ее возможную атмосферу, источник энергии и химический состав окружающей среды. Проблема в том, что ученые не могут получить данные об атмосфере экзопланеты или экзоспутника, наличии или отсутствии жидкой воды и, наконец, возможных органических элементах на поверхности объекта или под ней.

Тем не менее, астрономы настроены позитивно и выдвигают гипотезы о скорых сенсациях космического масштаба. Подобная уверенность — результат исследований не космоса, а Земли. На родной планете людей уже есть необходимые условия для имитации недружелюбных внешних сред.

Уничтожить жизнь, однажды появившуюся на планете, сложно. Требования для поддержания простейших форм просты: вода, постоянный источник энергии и нахождение в поясе планетного обитания.

Основной интерес ученых обращен к домену архей, к которым относятся живые организмы экстремофилы. Этот вид способен выживать при экстремально низких и высоких температурах, в щелочных и кислых средах. Такие бактерии обитают, например, в подледном озере «Восток», где давление и температура сравнимы с подобными показателями в океане Европы.

Выживают ли экстремофилы в космосе — открытый вопрос, но наличие воды на астрономических телах обнадеживает ученых. В ближайшее пятилетие ученые не приобретут драгоценных образцов льда или почвы с потенциально обитаемых миров, поэтому опыты по обнаружению микроорганизмов продолжаются там, где Землю легко спутать с инопланетным миром.

Джеты и стратостаты для Венеры

Ученые доказали, что бактерии способны летать или даже парить, например, во втором слое атмосферы Земли — стратосфере. Если человек окажется в подобном пространстве, вряд ли ему удастся прожить долго — холодная и сухая среда поднимается на 10–50 км от поверхности Земли. Температура –56 °C и струйные ветра скоростью 160 км/час делают стратосферу не подходящей для жизни. Дышать тоже не получится: озон укрывает весь земной мир от ультрафиолета из космоса, но выше озонового слоя, на расстоянии 32 км от поверхности планеты, соответствующей защиты уже нет. Кажется, что даже экстремофилам нечего делать в стратосфере Земли.

Биологи утверждают обратное. Исследования микроорганизмов в верхних слоях атмосферы ведутся с 30-х годов, причем ранее они требовали куда больших и денежных, и человеческих ресурсов. Пилот Чарльз Линдберг поднимался в небо над Атлантикой, чтобы брать атмосферные образцы — во время таких «вылазок» монопланом управляла жена авиатора. Самолеты хорошо подходят для верхних слоев атмосферы, но подниматься выше — в стратосферу и мезосферу — они не могут. Менее плотные потоки просто не удерживают аппараты.

В 70-х годах технологии изучения стратосферы были усовершенствованы. В небо начали запускать шары и ракеты — они буквально «брали мазки» воздушной оболочки, затем возвращая их на Землю. Ранние результаты не были достоверными: приборы не стерилизовали. Перед современными учеными стоит задача подтвердить и уточнить данные XX века.

Дэвид Смит, астробиолог из НАСА, исследует стратосферу и верхние слои атмосферы. Данные о среде собираются с помощью джета Gulfstream III, способного подниматься на высоту стратосферы. Каскадный пробоотборник пропускает воздух через тонкие ударные пластины с микроскопическими отверстиями. Принцип такого метода напоминает решето: пыль и микроорганизмы оседают на пластинах и доставляются вниз, на Землю.

Сам Смит считает, что микроорганизмы не могут расти или размножаться на высоте стратосферы: слишком холодно и сухо. Зато эта среда хорошо подходит для «консервации»: организмы выживают в 10–50 км от Земли. Оставаясь на одном месте, путешествуя в потоках разреженного воздуха, добираясь до тропосферы микроорганизмы «ждут» возвращения в комфортную среду планеты.

Исследовать верхние слои атмосферы можно и без джета. Стратостат — специальное устройство по типу аэростата, способное поднимать человека на высоту стратосферы.

Первый стратостат был спроектирован швейцарцем Огюстом Пикаром для изучения космических лучей. Ученый совершил первый полет на новом устройстве в 1931 году, но почти за 100 лет своей истории устройство до сих пор не вышло из исследовательского инструментария.

Ученые из Университета Шеффилда обнаружили микроорганизмы, принесенные на Землю из стратосферы. В 2013 году команда исследователей запустила специальный воздушный шар на высоту 27 км, причем прямо в то время, когда над Землей проходил метеоритный дождь Персеиды.

Размер принесенных стратостатом частиц оказался настолько крупным, что их обнаружение на высоте стратосферы стало неожиданностью. То, что их занесло с Земли, практически невозможно: за последние три года не происходило настолько сильных извержений вулканов. Биолог Милтон Уэйнрайт считает, что гипотеза об инопланетном происхождении этих микроорганизмов вполне возможна.

Теория панспермии — гипотеза возникновения земной жизни. Объясняет появление живого на Земле благодаря некой комете, принесшей первые микроорганизмы на планету.

Результаты, полученные командой Уэйнрайта, могли изменить представления о жизни — она продолжает прибывать на Землю из космического пространства. Итоги изотопного фракционирования не подтвердили обнадеживающих выводов: соотношение изотопов микроорганизмов оказалось таким же, как у земных образцов. И все-таки этот опыт доказывает: бактерии выживают в стратосфере.

Венерианская атмосфера

На волне всеобщей космической лихорадки в 60-х популяризатор науки и астроном Карл Саган предполагал, что верхняя атмосфера Венеры может скрывать остаточные микроорганизмы, когда-то существовавшие на прохладной поверхности планеты. Сегодня бактерии не выживут на поверхности, постоянно раскаленной из-за венерианского парникового эффекта — температура достигает 465 °С, а атмосферное давление в 92 раза больше земного.

Зато земные эксперименты в стратосфере помогают обосновать гипотезу о существовании жизни на Венере. Но в облаках. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Astrobiology, сообщает, что температура, давление и химический состав атмосферы в 48 км от поверхности планеты подходят для выживания огромных колоний инопланетных бактерий.

Температура в стратосфере Венеры достигает 60 °C — горячо, но приемлемо для жизни. Давление останавливается на отметке в 775 мм рт. ст.

При этом химический состав верхних слоев Венеры кислотнее земного: серная кислоты, углекислый газ и капли воды. Для экстремофилов, подобных земным, даже такие условия не покажутся смертельными. Если жизнь на Земле что-то и доказала, так это то, что она выживает в самых внезапных местах — в кипящих источниках и подо льдами вечной мерзлоты. Ракеш Могул, соавтор статьи о жизни на Венере, заявляет: «На Земле жизнь может процветать в крайне кислотных условиях, может питаться углекислым газом или производить серную кислоту самостоятельно». Поэтому догадка об инопланетном происхождении прописавшихся на Земле микробов не кажется фантастикой.

Снимки Венеры показывают темные пятна в атмосфере планеты. Они меняют форму, размер и положение, но не исчезают полностью. Современные анализы показывают: пятна сделаны из точек, соответствующих земным бактериям по размеру. Спектры света, поглощаемые частицами Венеры, также похожи на спектры тех же земных бактерий.

Подводные исследования

Пользу в исследовании инопланетной жизни приносят не только антарктические подледные озера, но и ледниковые водоемы Чили. В Андах, на озерах Лагуна Негра и Ло Энкасадо, ученые тестируют устройства обнаружения микроорганизмов. В андских водах мало питательных веществ, а солнце пронизывает водоемы ультрафиолетовыми лучами. Эти озера — настоящие кладбища, потому что следы когда-то живых микроорганизмов оседают на дне как биомолекулы. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Astrobiology, рассказывает, как микроостанки помогут обнаружить бактерии на Марсе или Титане.

Высокогорные озера Анд переносят исследователей в прошлое Марса, где, как считается, озера с жидкой водой подвергались такому же воздействию УФ-излучения. Значит, марсианские бактерии могли приспосабливаться к лучам так же, как чилийские микроорганизмы.

Для получения биомолекул используют LDChip — биосенсорный чип с 450 антителами, обнаруживающий белки или ДНК древней или современной жизни. Это основная деталь аппарата Signs of Life Detector (SOLID), собирающего до 2 г почвы и льда. Их исследуют на биоматериалы. Инструмент удобен тем, что расшифровывать результаты можно в полевых условиях.

В осадках со дна нашли сульфат-восстанавливающие бактерии, археи, образующие метан, и экзополимерные вещества — продукты гамма-протеобактерий.

Профессор Дон Коуэн, исследователь микробной экологии из Университета Претории в Южной Африке, считает: «Все результаты исследований могут помочь идентифицировать такие же элементы в астробиологических образцах с Марса, что станет доказательством инопланетной жизни». Чем шире становится библиотека биомаркеров, тем выше точность исследований инопланетных образцов. Определяются универсальные результаты: как сохраняются бактерии, как они реагируют на радиацию и окружающую среду. Новая информация используется для совершенствования тестов, обнаруживающих жизнь.

Источник