Астробиологическая программа NASA направлена на понимание происхождения и потребностей жизни в космосе, чтобы ответить на извечный вопрос «Одни ли мы?». Исследования начинаются с понимания того, как зародилась жизнь на Земле, начиная с рождения нашего Солнца.
В рамках программы астробиологии NASA проводятся комплексные исследования, направленные на понимание происхождения жизни на Земле и, как следствие, в космосе. Это включает в себя изучение формирования и положения Земли в обитаемой зоне, химической эволюции жизни, а также использование современных телескопов для исследования экзопланет на предмет наличия потенциальных биопризнаков. Эти усилия позволят нам ответить на вопрос «Одни ли мы во Вселенной?».
С чего мы начнем?
Чтобы проследить ход развития жизни в космосе, мы могли бы начать с первых клеток, движущихся и сжигающих энергию — возможно, в углублении на только что отчеканенной поверхности Земли или в перегретом жерле на дне древнего моря.
Но истинное понимание жизни на Земле или в каком-либо другом мире, вероятно, потребует от нас разгадки еще более ранних истоков: зажигания звезд с их грузом строительных блоков жизни, формирования планет из протопланетных дисков, энергии и химии поверхностей и атмосфер.
За последние годы было подтверждено существование более 5000 экзопланет и, вероятно, еще миллиардов в нашей галактике Млечный Путь, поэтому число возможных мест, где может существовать другая жизнь, резко возросло. А благодаря наличию более совершенных телескопов, сканирующих небо и находящихся в стадии разработки, мы располагаем лучшими, чем когда-либо, инструментами для изучения этих далеких миров.
Что нужно знать, чтобы найти ответ на извечный вопрос «Одни ли мы?» с помощью этих новых инструментов?
«Мы не знаем, где искать и что искать, если не понимаем, что произошло на Земле, — говорит Мэри Войтек, директор астробиологической программы НАСА в штаб-квартире агентства в Вашингтоне.
Вопрос о происхождении Земли быстро становится тяжелым, поэтому, возможно, лучше разбить его на части. Начнем с того, что нам известно.
Как на Земле появилась жизнь?
Большая часть астробиологических исследований NASA, изучающих происхождение и потребности жизни в космосе, начинается прямо у нас дома. И начинается она с момента рождения нашей звезды, Солнца, внутри вихревого облака газа и пыли.
В этом облаке содержатся необходимые для жизни компоненты: углерод, вода, аммиак, метан и другие строительные блоки — молекулы, созданные из элементов, в основном выкованных в сердцах предыдущих поколений звезд, взрывная гибель которых разбросала их содержимое по космосу.
Обнаружение тех же компонентов в далеких семействах звезд и планет позволяет поставить первую галочку в списке пригодных для жизни условий.
«Все началось со звезды», — говорит Войтек. Причина, по которой она закончилась появлением жизни на Земле, кроется в деталях»: Как планеты формировались из вращающегося диска плотного газа, окружающего только что образовавшуюся звезду, какие отношения со всей системой — звездой, другими планетами вокруг нее — сделали Землю пригодной для жизни и способствовали возникновению и эволюции жизни».
Поверхность Земли показана на рисунке художника так, как она могла выглядеть около 3,8 млрд. лет назад, возможно, когда жизнь только зарождалась. Credit: NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre
Следующее место в списке условий, благоприятных для обитаемости, занимает место, где оказалась Земля после образования нашей Солнечной системы. Земля находится в «зоне обитаемости» — орбитальном расстоянии от звезды, которое позволяет жидкой воде скапливаться на поверхности планеты в условиях подходящей атмосферы. Жизнь на Земле существует в самых разнообразных условиях — от глубокого холода до едких кипящих бассейнов, но все они, по-видимому, требуют наличия жидкой воды. Ученые предполагают, что вода необходима для жизни и на других планетах.
Венера — близнец Земли по размерам и каменистому составу — вращается на орбите слишком близко к Солнцу, как раз у внутреннего края обитаемой зоны. На ее поверхности, достаточно горячей, чтобы расплавить свинец, о жидкой воде не может быть и речи, хотя в прошлом она могла существовать. На современной марсианской поверхности, замерзшей и обнаженной под тончайшей атмосферой на внешнем краю обитаемой зоны, наличие жидкой воды крайне маловероятно.
Ледяные луны внешней части Солнечной системы с их скрытыми океанами жидкой воды также могут быть пригодны для жизни — несмотря на то, что находятся далеко за пределами традиционной зоны обитаемости.
Хотя среда, подобная той, что существует на наших планетах и лунах, может преобладать и в других системах Галактики, некоторые из них — например, потенциально пригодные для жизни «экзомуны» — находятся за пределами досягаемости наших современных технологий дистанционного зондирования. Поэтому зона обитаемости и возможность наличия воды на поверхности — это в лучшем случае приблизительный ориентир, помогающий астрономам разобраться в многообразии экзопланет в поисках потенциально пригодных для жизни объектов.
Получение нужной химии
Ученые, интересующиеся этим вопросом, наряду с пониманием происхождения жизни также уделяют внимание молекулам и химии. Каким образом микроскопические взаимодействия на нестабильной ранней Земле около четырех миллиардов лет назад привели к созданию энергоемкого, производящего отходы пакета материалов, который мы определили бы как «живой»?
По словам Бетюля Качара, профессора кафедры бактериологии Университета Висконсин-Мэдисон, ученые предлагают множество возможных сценариев запуска жизни. Качар возглавляет лабораторию молекулярной палеобиологии в Университете Висконсина-Мэдисона, а также проект Междисциплинарного консорциума астробиологических исследований НАСА (ICAR) «Использование и отбор металлов на протяжении веков» (MUSE), в рамках которого изучается тонкий танец между эволюцией, геохимией и биологией ранней жизни.
«Возможно, жизнь зародилась в результате столкновения с кометой, — говорит Качар. «Или ударный синтез, или гидротермальные источники. Это одни из самых популярных, больших идей».
Ее исследовательская группа использует экспериментальный подход, уделяя особое внимание ферментам — белкам, запускающим химические реакции в наших клетках, так называемый метаболизм, который помогает строить или разрушать клеточный материал.
«Мы воскрешаем множество важных ферментов, чтобы исследовать древние биологические системы, которые, по сути, восходят к зарождению этих метаболических инноваций — как жизнь научилась использовать то, что было доступно в окружающей среде, включая атмосферу, в первую очередь», — сказал Качар. «Мы используем доступную ДНК, чтобы повернуть время вспять и вернуться на миллиарды лет в прошлое».
На этой инфографике показано, как могла выглядеть Земля для далекого наблюдателя на разных этапах развития. Далекие миры, несущие жизнь, могут быть похожи на Землю как в прошлом, так и в настоящем. Credit: NASA/JPL-Caltech/Lizbeth B. De La Torre
По словам Качар, в последние годы в исследованиях по астробиологии наметился сдвиг в сторону изучения поведения древних скоплений молекул, которые можно считать похожими на жизнь, а не просто синтеза химических соединений, ассоциирующихся с ранней жизнью.
По словам Войтека, к ним вполне могут относиться более «беспорядочные» формы молекул — «протомолекулы», способные хранить информацию или катализировать реакции, но гораздо более примитивные и менее эффективные, чем сравнительно эффективные РНК и ДНК, с которыми мы знакомы сегодня.
«Мы рассматриваем их как похожие на жизнь, но не совсем жизнь», — сказал Войтек.
Войтек и Качар видят и другой сдвиг: расширение наших представлений об истории жизни на Земле, начиная со дна глубокого океана в гидротермальных источниках — возможный путь зарождения жизни — и заканчивая потенциальной химией, порождающей жизнь, на самой ранней поверхности суши. Компоненты и функции жизни могли даже возникнуть по частям, в разное время и в разных местах на протяжении сотен миллионов лет, лишь позднее сшиваясь вместе и образуя узнаваемые живые организмы.
По словам Качара, химия в этом спектре может иметь доступ к «большему разнообразию источников энергии, разнообразию минералов, наличию влажно-сухих циклов». «Когда речь идет о происхождении жизни, все дело в местоположении, местоположении, местоположении, а также в химии».
Что мы можем узнать о других планетах
Между тем, по мере того, как развивается наш взгляд на Вселенную, растет и наша способность находить экзопланеты и узнавать о них больше.
К настоящему времени телескопы обнаружили, что экзопланеты бывают разных типов: каменистые и газообразные. К ним относятся «суперземли», которые могут быть, а могут и не быть увеличенными скалистыми мирами, и «мини-нептуны», младшие версии нашего Нептуна — два типа планет, которые, хотя и распространены в галактике, странны для нас, поскольку не встречаются в нашей Солнечной системе. Добавим к этому зверинцу «горячие Юпитеры» и «горячие Сатурны», вращающиеся по узким, палящим орбитам вокруг своих звезд, и планеты-изгои, свободно плавающие в космосе без родительской звезды.
Знания человека о других мирах продолжают существенно пополняться благодаря все более мощным космическим телескопам. Обнаружению планет способствовали уже вышедший из эксплуатации аппарат НАСА «Кеплер» и все еще действующий спутник Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), а космический телескоп имени Джеймса Уэбба начал передавать потоки изображений и данных об атмосфере. Римский космический телескоп, запуск которого ожидается в 2027 г., может открыть еще около 100 000 таких далеких миров, а также испытать новую технологию прямого изображения экзопланет.
Будущие, еще более мощные космические телескопы смогут напрямую искать в атмосферах экзопланет признаки жизни — то, что астробиологи называют биосигнатурами.
Но если Земля является нашей моделью для поиска доказательств существования жизни на экзопланетах, то мы должны научиться не только обнаруживать биопризнаки на планетах, похожих на наш современный мир. Мы также должны попытаться распознать признаки жизни на планетах, напоминающих далекое прошлое Земли, когда условия были совсем другими, чем сейчас.
Тимоти Лайонс (Timothy Lyons), профессор биогеохимии Калифорнийского университета в Риверсайде, возглавляет группу «Альтернативные Земли», которая ранее финансировалась через Астробиологический институт НАСА, а теперь является проектом ИКАР. Группа исследует, как могла выглядеть Земля для далекого наблюдателя в различные периоды ее существования, продолжавшегося 4,5 млрд. лет.
«Земля — единственная известная нам планета, на которой есть жизнь», — сказал Лайонс. «Но за свою историю Земля была множеством разных планет. Это и есть альтернативные Земли».
Смогли бы мы распознать живую Землю, например, до того, как кислород был достаточно распространен в атмосфере, чтобы его можно было обнаружить? Формы жизни, не зависящие от кислорода, процветали миллиарды лет, прежде чем насыщенная кислородом атмосфера была бы зафиксирована приборами наблюдателя, находящегося на расстоянии многих световых лет. А после того как жизнь начала производить кислород, его накопление в атмосфере, вероятно, было достаточно низким, чтобы не обнаружить его в течение миллиардов лет.
По его словам, возможно даже, что кислород оставался необнаружимым вплоть до 800 млн. лет назад, т.е. задолго до появления сложной жизни — клеток с центральным ядром — и примерно в то же время, когда появились самые ранние животные.
Одной из целей исследовательской группы Лайонса является использование химических измерений древних пород, которые обеспечивают запись прошлого, а также компьютерных моделей для создания своего рода каталога газообразных профилей многочисленных фаз Земли. Используя такую платформу, можно представить себе возможности далеких планет, даже если они сильно отличаются от того, что имеется в земных архивах. Если Webb и будущие космические телескопы зафиксируют совпадающие профили в атмосфере экзопланеты, это может стать убедительным признаком наличия «биосферы» — мира, характеризующегося условиями и изменениями окружающей среды, которые приводят к возникновению и развитию какой-либо формы жизни.
«Конечная цель состоит в том, чтобы понять, как на планете может развиваться и поддерживаться обнаруживаемая биосфера — не только знать, что [жизнь] там может быть, но и то, что она там есть», — сказал Лайонс. «Мы надеемся, что наша работа поможет в разработке новых телескопов и интерпретации первых волн данных о составе атмосферы планет в пригодных для жизни зонах».
Будущим исследователям также предстоит распознать небиологические процессы, которые могут приводить к образованию газов, интерпретируемых нами как биосигнатуры. Например, фотохимия и определенные свойства атмосферы могут привести к образованию большого количества кислорода на планете, лишенной жизни.
Для такого целостного взгляда на возможность существования жизни за пределами Земли требуются междисциплинарные команды, подобные команде Лайонса и Касара, включающие биологов, геохимиков, геологов, исследователей экзопланет и других специалистов.
«Это похоже на то, как если бы биолог, геолог и астроном зашли в бар, и там возникла бы жизнь, — говорит Касар. Или, по ее словам, они могут заказать «коктейль» — смесь многих научных дисциплин, чтобы взломать код обнаружения жизни — среди наших соседних планет или экзопланет, разбросанных по всей Галактике.
«В настоящее время наблюдается удивительный интерес к этой проблеме, больший, чем я когда-либо видела, и удивительное количество студентов», — сказала она. «Это действительно дико и невероятно вдохновляюще. Вот почему я считаю, что мы очень близки к решению этой проблемы. Это очень весело».
Поиск жизни
- Часть 1: Начало: Жизнь на нашей и других планетах
- Часть 2: Жизнь на других планетах: Что такое жизнь и что ей нужно?
- Часть 3: Поиски жизни на Марсе и в других местах Солнечной системы
