Инопланетяне, дышащие водородом, могут процветать на планетах, сильно отличающихся от Земли
Новые исследования показывают, что телескопы нового поколения могут в первую очередь искать водородные атмосферы, поскольку водород может быть жизнеспособным и легко обнаруживаемым биопризнаком жизни.
При поиске внеземной жизни астрономы могут обратить внимание на планеты с богатой водородом атмосферой.
В ближайшие несколько лет, когда заработают новые, более мощные телескопы, астрономы смогут направить мегаскопы на близлежащие экзопланеты, заглянуть в их атмосферы, чтобы расшифровать их состав и найти признаки внеземной жизни. Но представьте себе, если в ходе поисков мы встретим инопланетные организмы, но не сможем распознать в них жизнь.
Такую перспективу астрономы, подобные Саре Сигер, надеются избежать. Сара Сигер, профессор кафедры планетологии, физики, аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института 1941 г., не ограничивается «террацентрическим» взглядом на жизнь, а ищет, какая среда за пределами нашей планеты может быть пригодной для жизни.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Astronomy, она и ее коллеги в ходе лабораторных исследований установили, что микробы могут выживать и процветать в атмосфере, в которой преобладает водород — среда, значительно отличающаяся от земной атмосферы, богатой азотом и кислородом.
Водород — гораздо более легкий газ, чем азот или кислород, и атмосфера, насыщенная водородом, простирается гораздо дальше от скалистой планеты. Поэтому ее легче заметить и изучить с помощью мощных телескопов, чем планеты с более компактными, похожими на земную, атмосферами.
Результаты работы Сигера показывают, что на планетах с богатой водородом атмосферой могут существовать простые формы жизни, и это позволяет предположить, что после начала работы телескопов нового поколения, таких как космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб», астрономы, возможно, захотят в первую очередь искать признаки жизни на экзопланетах с преобладанием водорода.
«Существует множество пригодных для жизни миров, и мы подтвердили, что земная жизнь может существовать в атмосферах, богатых водородом», — говорит Сигер. «Мы определенно должны добавить такие планеты в меню вариантов, когда думаем о жизни на других планетах и пытаемся ее найти».
Соавторами Сигера по работе в Массачусетском технологическом институте являются Цзинчэн Хуанг, Януш Петковски и Михкель Паюсалу.
Эволюционирующая атмосфера
На ранней Земле, миллиарды лет назад, атмосфера выглядела совсем иначе, чем та, которой мы дышим сегодня. На молодой планете еще не было кислорода, и она состояла из смеси газов, включая углекислый газ, метан и очень малую долю водорода. Водород сохранялся в атмосфере, возможно, миллиарды лет, пока не произошло событие, известное как Великое окисление, и не началось постепенное накопление кислорода.
То небольшое количество водорода, которое осталось сегодня, потребляется некоторыми древними видами микроорганизмов, в том числе метаногенами — организмами, живущими в экстремальных климатических условиях, например, глубоко под льдом или в почве пустыни, и поглощающими водород вместе с двуокисью углерода для производства метана.
Ученые регулярно изучают активность метаногенов, выращенных в лабораторных условиях с 80-процентным содержанием водорода. Однако исследований, посвященных изучению устойчивости других микробов к среде с высоким содержанием водорода, очень мало.
«Мы хотели продемонстрировать, что жизнь выживает и может расти в водородной атмосфере», — говорит Сигер.
Водородное пространство
Группа исследователей отправилась в лабораторию, чтобы изучить жизнеспособность двух типов микробов в среде, содержащей 100 % водорода. В качестве микроорганизмов были выбраны бактерии Escherichia coli, простейшие прокариоты, и дрожжи, более сложные эукариоты, которые ранее не изучались в среде с преобладанием водорода.
Оба микроба являются стандартными модельными организмами, которые давно изучены и охарактеризованы учеными, что помогло исследователям разработать эксперимент и понять его результаты. Более того, E.coli и дрожжи могут выживать как в среде с кислородом, так и без него, что очень удобно для исследователей, поскольку они могли подготовить эксперименты с обоими организмами на открытом воздухе, прежде чем перенести их в среду с преобладанием водорода.
В своих экспериментах исследователи отдельно выращивали культуры дрожжей и кишечной палочки, затем вносили культуры микробов в отдельные бутылки, наполненные «бульоном» или богатой питательными веществами культурой, которой микробы могли питаться. Затем из бутылок удалялся воздух, насыщенный кислородом, а оставшееся «пространство» заполнялось интересующим газом, например, 100-процентным водородом. Затем бутылки помещали в инкубатор, где их осторожно и непрерывно встряхивали для обеспечения перемешивания микробов и питательных веществ.
Каждый час один из членов команды собирал образцы из каждой бутылки и подсчитывал количество живых микробов. Отбор проб продолжался до 80 часов. Полученные результаты представляли собой классическую кривую роста: В начале исследования микробы быстро росли в количестве, питаясь питательными веществами и заселяя культуру. В конце концов, количество микробов выровнялось. Популяция, по-прежнему процветая, оставалась стабильной, поскольку новые микробы продолжали расти, замещая вымершие.
Сигер признает, что биологи не считают полученные результаты удивительными. В конце концов, водород — инертный газ, и поэтому он не является по своей природе токсичным для организмов.
«Мы же не заполнили головное пространство ядом», — говорит Сигер. «Но ведь увидеть — значит поверить, верно? Если никто никогда не изучал их, особенно эукариоты, в среде с преобладанием водорода, то, чтобы поверить в это, нужно провести эксперимент».
Она также поясняет, что эксперимент не ставил целью показать, могут ли микробы зависеть от водорода как источника энергии. Скорее, целью эксперимента было продемонстрировать, что атмосфера со 100%-ным содержанием водорода не повредит и не убьет некоторые формы жизни.
«Я не думаю, что астрономам приходило в голову, что в водородной среде может существовать жизнь», — говорит Сигер, который надеется, что это исследование будет способствовать перекрестному общению между астрономами и биологами, особенно в условиях активизации поиска пригодных для жизни планет и внеземной жизни.
Водородный мир
Астрономы не в состоянии изучить атмосферы небольших каменистых экзопланет с помощью имеющихся сегодня инструментов. Те немногие ближайшие каменистые планеты, которые удалось изучить, либо не имеют атмосферы, либо просто слишком малы для обнаружения с помощью имеющихся на сегодняшний день телескопов. И хотя ученые предполагают, что планеты должны обладать атмосферами, богатыми водородом, ни один из работающих телескопов не обладает достаточным разрешением для их обнаружения.
Но если обсерватории следующего поколения обнаружат такие земные миры с преобладанием водорода, результаты работы Сигера покажут, что существует вероятность того, что на них может существовать жизнь.
Что касается того, как выглядела бы каменистая, богатая водородом планета, то ей приходит в голову сравнение с высочайшей вершиной Земли — Эверестом. У туристов, пытающихся подняться на вершину, заканчивается воздух, поскольку плотность всех атмосфер экспоненциально уменьшается с высотой, а для нашей атмосферы с преобладанием азота и кислорода это расстояние меньше. Если бы турист поднимался на Эверест в атмосфере с преобладанием водорода — газа, который в 14 раз легче азота, — он смог бы подняться в 14 раз выше, прежде чем у него закончится воздух.
«Это трудно понять, но этот легкий газ делает атмосферу более обширной», — объясняет Сигер. «А для телескопов чем больше атмосфера по сравнению с фоном звезды, на котором находится планета, тем легче ее обнаружить».
Если ученые когда-нибудь получат возможность исследовать такую богатую водородом планету, то, по мнению Сигера, они смогут обнаружить поверхность, которая будет отличаться, но не будет неузнаваема от нашей собственной.
«Мы представляем себе, что если пробурить поверхность, то там, вероятно, будут минералы, богатые водородом, а не те, которые мы называем окисленными, а также океаны, так как мы считаем, что все живое нуждается в какой-то жидкости, и, вероятно, вы все еще сможете увидеть голубое небо», — говорит Сигер. «Мы не задумывались обо всей экосистеме. Но это не обязательно должен быть другой мир».
Справка: «Лабораторные исследования жизнеспособности жизни в H2-доминирующих атмосферах экзопланет» С. Сигер, Дж. Хуанг, Дж. Дж. Петковски и М. Паджусалу, 4 мая 2020 г., Nature Astronomy . DOI: 10.1038/s41550-020-1069-4
Начальное финансирование было предоставлено Фондом Темплтона, а исследование частично финансировалось Программой исследовательских грантов профессора Массачусетского технологического института Амара Г. Боуза.
