Астробиология: в поисках внеземной жизни (+ док. фильм)

На протяжении многих лет человечество интересовал вопрос, существует ли жизнь за пределами нашей планеты. Писатели-фантасты описывали красочные миры, населяя их существами, иногда похожими на земных животных, а иногда не имеющими ничего общего с ними.

Сегодня на вопросы, откуда взялась и есть ли еще где-нибудь жизнь во Вселенной, пытается ответить астробиология. Эта наука представляет собой смесь биологии, астрономии, физики, химии, геологии и других наук. Чтобы ответить на основной вопрос, ученые-астробиологи открывают новые планеты, находят органические молекулы и воду за много световых лет от нас и буквально бороздят просторы ближайших планет. Также большую часть астробиологии составляет изучение экстремофилов — живых организмов, живущих в экстремальных условиях на Земле, например в гидротермальных источниках, сильнощелочных озерах или под покровом вечной мерзлоты. Ведь не все планеты могут похвастаться таким мягким климатом, как наш.

Звездная органика

Одним из основных компонентов живой материи в том виде, в котором мы ее знаем, является углерод. Точнее, его многочисленные соединения, также называемые органическими (по понятным причинам).

Поэтому для того чтобы узнать, как образовалась жизнь, необходимо сначала выяснить, откуда же взялись формирующие ее молекулы. Ответить на этот вопрос пытаются две теории: одна утверждает, что первичные органические молекулы были занесены к нам из космоса, в то время как другая предполагает образование простейшей органики в химическом котле, который представляла собой наша планета на заре своего развития.

Доказать либо опровергнуть любую из этих теорий достаточно сложно. С обеих сторон уже есть ряд доводов, хотя ни один из них не является неопровержимым свидетельством правильности теории.

В последнее время довольно регулярно появляются сообщения о нахождении простых органических молекул в далеких пылевых облаках. Обычно это метан, этан, но находят и более сложные молекулы. Например, этил формиат (этиловый эфир муравьиной кислоты) — вещество, придающее рому и малине их отличительный аромат, — был найден в огромном облаке космической пыли в созвездии Стрельца в центре Млечного Пути. В том же облаке были найдены бутиронитрил и глицин. Вместе с этил формиатом они являются самыми сложными биоорганическими молекулами, обнаруженными в космосе спектральными методами.

Но все рекорды по сложности внеземной органики бьет Мерчисонский метеорит, упавший в Австралии в 1969 году. Спустя более 40 лет после его падения с помощью современных аналитических методов ученым удалось идентифицировать в его составе 14 тыс. органических молекул, из которых 70 — аминокислоты, не встречающиеся на Земле.

Возникает закономерный вопрос: как такие сложные молекулы образуются в условиях полного разряжения и сверхнизких температур? Вся известная «земная» химия основана на предположении, что для протекания реакции необходимо соударение двух-трех активных частиц, и не одно соударение, а сотни-тысячи-миллионы, пока не встретятся две частицы, обладающие достаточной энергией, чтобы обменяться своими электронами. А чтобы увеличить вероятность встречи таких молекул, нужно просто подогреть реакционную смесь. У «астрохимика» нет такой роскоши, как концентрированные растворы и плитка. Но ему на помощь приходит квантовый туннельный эффект. Так ученые из Университета Лидса подтвердили возможность протекания химических реакций на частицах пыли в условиях глубокого вакуума и температуры –210 °С (точка плавления твердого азота), причем с помощью туннелирования реакция шла в 50 раз быстрее, чем в обычных условиях при комнатной температуре!

Космические бактерии

Самые первые следы живых организмов, обнаруженные на Земле, имеют возраст 3,5 млрд лет, то есть относятся к тому времени, когда самой планете было всего 500 млн лет. Доисторический климат мало чем напоминал сегодняшний: повсюду извергались вулканы, били молнии и падали метеориты. Но уже тогда на дне первобытного океана первые микроорганизмы начинали бороться за выживание. Откуда же взялись микробы на Земле?

По одной из версий они были занесены «в готовом виде» из космоса одним из многочисленных метеоритов, бомбардировавших тогда земную поверхность. То, что астероиды могут отколоться, к примеру, от Марса и упасть на Землю, уже было показано. Также высока вероятность того, что микроорганизмы способны пережить перелет в межзвездном пространстве.

Несколько противоречивых свидетельств существования внеземной жизни

1. Еще в 1976 году самая первая миссия НАСА на Марс (аппарат «Викинг») получила свидетельство возможного существования жизни: после смешивания питательного вещества, помеченного радиоактивным углеродом, с образцом марсианского грунта детектор «Викинга» зафиксировал образование радиоактивно меченого метана — возможное свидетельство метаболизма. Повторный эксперимент, однако, не подтвердил эту находку.

2. В 1996 году «марсианские» окаменелости были обнаружены в Антарктиде. Астероид, отколовшийся от Марса 15 млн лет назад, после длительного путешествия по просторам Солнечной системы нашел покой в вечной мерзлоте. После изучения астероида группа ученых сделала вывод, что они обнаружили следы марсианских нанобактерий. Однако позже это открытие было подвергнуто сомнению.

3. По мнению некоторых ученых, красноватый оттенок Европы (одного из спутников Юпитера) обусловлен жизнедеятельностью бактерий. И хотя на Европе довольно холодно даже для таких экстремофилов, как Chlamydomonas nivalis, есть вероятность, что сами бактерии живут на большой глубине и лишь их мертвые останки выбрасываются на поверхность.

4. Еще одним косвенным признаком жизни на Европе может служить наличие на ее поверхности небольшого количества соединений серы. Состав серосодержащих соединений очень напоминает продукты жизнедеятельности бактерий, живущих под толщей антарктического льда. Но по мнению скептиков, серу занесло на Европу с Ио — соседнего спутника Юпитера.

5. То, что в кислотной атмосфере Венеры сосуществуют сероводород и диоксид серы — вещества, обычно вступающие между собой в реакцию с образованием элементарной серы и воды, — указывает на наличие процесса, постоянно расщепляющего конечный продукт на два исходных газа. К тому же в облаках Венеры был обнаружен карбонил сульфид, который на Земле можно получить либо с помощью специальных катализаторов, либо с помощью бактерий. Наиболее простым объяснением этого факта с точки зрения ученых является наличие микроорганизмов, живущих в облаках на высоте 50 км над необитаемой поверхностью планеты.

6. Само обнаружение в атмосфере Марса метана, основной составляющей природного газа, который имеет на Земле биологическое происхождение, также указывает на возможное присутствие микроорганизмов на Красной планете. Конечно, метан мог быть занесен кометой либо выброшен вулканом, но в таком случае он должен был быстро покинуть разреженную атмосферу Марса. Более того, в 2005 году было объявлено также о присутствии на Красной планете формальдегида — продукта окисления метана. Если данное открытие подтвердит независимая группа исследователей, это заметно усилит гипотезу о марсианских бактериях, поскольку по подсчетам первооткрывателей ежегодная выработка метана, необходимого для производства заявленного количества формальдегида, составляет 2,5 млн тонн! Такое количество кометами и вулканами не объяснишь.

Как несложно заметить, большинство свидетельств возможного наличия жизни основано на исследованиях атмосферы планет Солнечной системы и их спутников. Это связано с тем, что мы попросту не располагаем средствами столь подробного изучения планет, вращающихся вокруг других звезд — экзопланет.

Открытие новых планет

Пожалуй, из достижений астробиологии сильнее всего поражают воображение именно открытия новых планет за пределами нашей Солнечной системы. Такие планеты называют экзопланетами (греческий префикс «экзо» обозначает «вне»). Но не все звезды одинаково интересны для астробиологов: основное внимание привлекают звезды Главной последовательности, то есть те, которые по размерам и температуре наиболее похожи на наше Солнце. Вероятность найти жизнь в «обитаемых зонах» возле таких звезд, по мнению ученых, должна быть выше.

В 1995 году было объявлено об открытии первой экзопланеты, вращающейся вокруг звезды Главной последовательности. Ее назвали Беллерофонт в честь героя древнегреческих мифов, оседлавшего крылатого коня Пегаса. Официальное название планеты более прозаично — 51 Пегаса b, что обозначает всего-навсего «планета b звезды номер 51 в созвездии Пегаса».

Как и в любой другой области науки, в открытии новых планет происходил (и происходит) постепенный прогресс. Первые открытые экзопланеты были по-своему неуклюжими: они были больше Юпитера и находились от своих звезд на расстоянии меньшем, чем Меркурий от Солнца. Естественно, их обнаружили раньше всех, потому что их проще всего заметить: чем ближе планета находится к своей звезде и чем она массивнее, тем сильнее искажает испускаемый звездой свет. Такие планеты стали относить к классу «горячие Юпитеры», потому что температура на их поверхности превышает 2000 °С. Соответственно, никакой речи о возможном существовании на них жизни быть не может.

Первый метод обнаружения экзопланет у звезд Главной последовательности — доплеровская спектроскопия, или метод звездных колебаний. Суть метода в том, что планеты, вращающиеся вокруг звезды, хоть и ничтожно малы по сравнению с ней (так, масса Солнца составляет 99,8% массы Солнечной системы), но все-таки влияют на общее распределение масс в системе и заставляют саму звезду вращаться вокруг общего центра масс. Таким образом, любая звезда, окруженная планетами, вращается по своей крохотной орбитке. Это вращение и регистрирует метод колебаний. В моменты, когда звезда движется по орбите «на нас», наблюдается эффект Доплера и соответствующий сдвиг спектра излучения звезды в сторону коротких волн; когда звезда движется «от нас» — наблюдается обратный эффект. Поскольку движение вокруг центра масс — процесс периодический, то и связанные с ним изменения в звездном излучении будут периодическими. Пропуская наблюдаемый от звезды сигнал через серию статистических фильтров и математических преобразований, ученые выделяют нужную синусоиду колебаний, по которой рассчитывают минимальную массу планеты и радиус ее орбиты. Не удивительно, что этот способ лучше всего подходит для нахождения непригодных для жизни «горячих Юпитеров», ведь для обнаружения более мелких планет при существующей чувствительности измерений необходимы десятилетия наблюдений, чтобы выделить истинный сигнал из космического шума.

Более продвинутый, но более интуитивно понятный способ открытия экзопланет — транзитный. Все просто: планета, вращаясь вокруг звезды, проходит между звездой и наблюдающим за ней телескопом и создает мини-затмения, которые регистрируются как периодические изменения в интенсивности звездного света. Опять же, после существенной математической обработки ученые могут рассчитать период вращения и размер планеты. Проблема в том, что, вообще говоря, вероятность такого события, как прохождение планеты между наблюдателем и звездой, очень мала. Но огромное количество звезд во Вселенной компенсирует эту малую вероятность, и все, что нужно, — это наблюдать как можно больше звезд одновременно.

Как и в случае с методом звездных колебаний, при помощи транзитного метода легче замечать экзопланеты на небольшом удалении от соответствующей звезды. Преимуществом транзитного метода можно считать его более высокую чувствительность. Это значит, что для обнаружения небольших планет, вращающихся с периодом, примерно равным земному году, транзитному методу нужно меньше времени, чем методу звездных колебаний.

Специально для обнаружения новых планет в марте 2009 года НАСА запустило телескоп «Кеплер», который до мая 2013-го одновременно следил за яркостью 150 тыс. звезд. За время своего нахождения на орбите «Кеплер» открыл уже несколько сотен экзопланет и более трех тысяч «кандидатов», наблюдение за которыми продолжается. Подавляющее большинство открытых «Кеплером» планет и «кандидатов» имеют период обращения до 10 земных дней и/или размеры, в несколько раз превосходящие Землю, — так называемые супер-Земли. Но есть и приятные исключения, например открытая в начале 2013 года планета Кеплер-69с. Она всего на 70% больше Земли, период ее обращения 242 дня, и находится она на границе «обитаемой зоны» солнцеподобной звезды Кеплер-69 в созвездии Лебедя. Конечно, на ней вряд ли есть жизнь, так как она скорее супер-Венера, чем супер-Земля, но открытие вселяет оптимизм. Тем более что ранее (в конце 2011 года) НАСА уже объявляло об открытии Кеплер-20е — экзопланеты, меньшей по размерам, чем наша Земля, и Кеплер-20f, всего на 3% большей!

Открытие множества экзопланет дало интересный «побочный продукт». Согласно старым представлениям, основанным на наблюдениях за нашей родной Солнечной системы, ни супер-Земли, ни «горячие Юпитеры» существовать просто не могут! Однако именно они составляют львиную долю планет, найденных вне нашей Солнечной системы. И хотя принцип Мальмквиста утверждает, что «мы открываем только то, что позволяют увидеть наши приборы», сам факт существования таких планетных аномалий заставил ученых задуматься о пересмотре устоявшихся теорий формирования планет.

Нет сомнений, что преемники «Кеплера» — телескопы нового поколения Gaia и TESS — обнаружат тысячи новых экзопланет, и, как знать, возможно среди них и найдется та самая, которую мы так долго ищем.

Тем более что некоторые коэффициенты в знаменитом уравнении Дрейка, позволяющем рассчитать число разумных цивилизаций в Млечном Пути, были недавно изменены в оптимистическую сторону. По новым оценкам ученых, в нашей Галактике находится порядка 60 млрд планет, пригодных для жизни, и можно уверенно сказать, что обнаружение первой из них — вопрос ближайшего времени. А там уже недалеко и до нахождения внеземной жизни.

Тайны Вселенной - Астробиология