Ученые сравнили атмосферный состав древней и современной Земли. И обнаружили конкретные химические комбинации, которые могли бы выявить наличие биологической активности на других планетах.
Эти так называемые «биомаркеры», описанные в журнале Science Advances, могли бы стать ключевым инструментом в поиске внеземной жизни.
«Существует прямой путь от выводов нашей работы к возможному историческому открытию жизни на других планетах», – сказал старший автор исследования Дэвид Кэтлинг, планетарный ученый и астробиолог из Вашингтонского университета, расположенного в Сиэтле.
За последние несколько лет были обнаружены тысячи планет за пределами нашей Солнечной системы. Они известны как экзопланеты. Небольшое количество из них, похоже, являются скалистыми телами. Их размеры близки к размеру нашей планеты. И многие из них расположены на таком расстоянии от своей звезды, которое позволяет иметь на поверхности жидкую воду. Изучение тех из них, у которых обнаружена атмосфера, может дать знания о том, есть ли на них жизнь.
До того, как новые мощные телескопы начнут свою работу, исследователи пытаются выяснить, какие именно химические вещества они должны искать. Ведь просто потому, что планета имеет правильные параметры для существования жизни, вовсе не означает, что на самом деле там кто-то живет.
Ученые сосредоточили свое внимание на нескольких потенциально обнаруживаемых молекулах. Таких, например, как метан. Метан производится в больших количествах микробами на Земле (а так же крупным рогатым скотом). Но метан также может производиться и небиологическими источниками. Такими, например, как вулканы.
Молекулярный кислород
Молекула молекулярного кислорода – это два атома кислорода, связанных вместе. В настоящее время она производится в огромных количествах в результате фотосинтеза водорослей, растений и микробов. Но механизм фотосинтеза очень сложен. И ученые считают, что он возник только один раз и только на нашей собственной планете. Это означает, что нет гарантии найти кислород – продуцирующий фотосинтез в других мирах. Даже если жизнь там существует.
Таким образом, если полагаться на какое-либо отдельное химическое вещество, оно может давать ложные срабатывания. Об этом сообщила соавтор исследования Стефани Олсон, астробиолог и аспирант UC Riverside (Калифорнийский университет в Риверсайде). Но живые существа изменяют свою среду обитания всегда сложными способами. Что, если существует какая-то смесь молекул, которая не может существовать без жизни?
Чтобы понять это, аспирант Кэтлинга – Джошуа Криссансен-Тоттон провел исследование. В нем изучалась атмосфера Земли на трех этапах ее существования. Это архей (от 4 до 2,5 миллиарда лет назад), протерозой (от 2,5 миллиарда до 541 миллионов лет назад) и фанерозой (от 541 млн. лет назад до настоящего времени).
Разные Земли
В каждый из этих периодов времени жизнь (да и сама планета) выглядела совсем по-другому. Поместите снимок каждого земного периода рядом друг с другом – и это будут совершенно разные планеты.
«Определение «планета, похожая на Землю» – на самом деле очень широкий термин. Он охватывает самые разнообразные миры. Это туманные миры, такие как архейский. Это ледяные миры. Такие как «снежный шар Земли». И это бескислородные миры с исключительно микробными экосистемами. В него входят миры со сложной и разумной жизнью, и в него входят миры, которых мы еще не видели» – сказала Олсон.
«Это полезно знать тем ученым, которым нужны несколько моделей того, как может выглядеть жизнь в других мирах» – добавила она.
«Несмотря на различия, каждый из этих периодов в истории Земли имеет по меньшей мере одну общую характеристику. Это химический дисбаланс в атмосфере. Это связано с тем, что биологическая деятельность производит вещества, которые в неживой природе не сочетаются», – сказал Каттинг.
«Возьмите метан и кислород. Размещенные вместе, эти газы быстро реагируют и разрушают друг друга. Но на Земле их много. Потому что живые существа продолжают их производить».
«Если вы найдете какую-то систему в равновесии, значит вы нашли что-то, что изначально было мертвое. Или что-то, что уже не живое», – сказал Каттинг. «Когда мы видим что-то необычное, это может быть признаком жизни».
Известно давно
Люди говорили об этой идее с 1960-х годов, говорит Каттинг. Но до сих пор не оценили ее потенциал. В опубликованной работе ученые описали проведенное компьютерное моделирование с использованием известного химического состава каждой атмосферы ранней Земли, чтобы выяснить, существуют в них ли какие-либо типичные химические нарушения.
Исследователи обнаружили, что во время архея было мало кислорода. И поэтому сосуществование метана, азота и углекислого газа в атмосфере (вместе с жидкой водой) было бы признаком того, что живые существа здесь существуют.
«Большие потоки каждого газа в отсутствие биологии действительно трудно объяснить», – сказала Олсон о сосуществовании двуокиси углерода и метана.
В середине протерозоя кислород продуцирующие микробы широко распространились. И атмосфера представляла собой смесь кислорода, азота и водяного пара. «Даже если уровни атмосферного кислорода слишком малы, чтобы их можно было обнаружить, ученые могли бы искать озон вместо него» – сказала Олсон. Это связано с тем, что озон (состоящий из трех атомов кислорода) производится реакциями с использованием биологически произведенного кислорода. И он создает очень сильный сигнал, который можно обнаружить даже при низких уровнях концентрации.
В фанерозое, который включает в себя и сегодняшний день, биомаркерами будут кислород с азотом и водой. (Уровень кислорода сейчас намного выше и его намного легче обнаружить, чем в середине протерозоя).
Некоторые из химических коктейлей, таких как сочетание метана и двуокиси углерода, могут быть обнаружены будущими обсерваториями, такими, например, как космический телескоп имени Джеймса Уэбба (NASA), планирующийся к запуску в 2019 году.
«В настоящий момент мы еще не готовы признать наличие жизни на земноподобных экзопланетах. И мы можем только представить себе, как может выглядеть жизнь на планете, которая не похожа на Землю», – сказала Олсон. «Это, конечно, огромная область для исследований. И я не думаю, что мы уже до конца разобрались, какие именно особенности химии атмосфер являются потенциально перспективным путем для поисков».