Поиск признаков жизни, которая может существовать на других планетах, чрезвычайно сложная задача. Даже в нашей Солнечной системе, где мы имеем возможность посылать зонды к мирам, представляющим интерес, таким, например, как Марс, трудно оценить, существует ли какая-либо микробная жизнь. И существовала ли когда-либо вообще. Изучая экзопланеты, мы можем анализировать только звездный свет, прошедший через ее атмосферу. В надежде, что он покажет нам абсорбционные или эмиссионные линии, которые указывают на наличие газов, создаваемых жизнью.
Детальный анализ атмосфер экзопланет будет доступен в грядущие годы. После запуска более современных телескопов. Таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST). Но понимание того, что именно нужно искать, является важным этапом в поисках жизни на других планетах уже сейчас.
Значение фотосинтеза
На земле кислород производится растениями и некоторыми бактериями в ходе реакции фотосинтеза. Он обычно считается потенциальным биосигналом в других мирах. Хотя получение кислорода также возможно и из абиотических источников. Аналогичным образом метан образуется в результате деятельности жизни. И тоже является потенциальным биосигналом. И также может также производиться другими способами.
В двух новых статьях, посвященных этим проблемам, обсуждаются новые способы поиска биосигналов. Проводится анализ того, как именно жизнь может влиять на атмосферу экзопланеты.
Документ, подготовленный Стефани Олсон из Калифорнийского университета совместно с ее коллегами содержит анализ того, как именно сезонные изменения в атмосфере, вызванной жизнью, могут быть использованы в качестве биосигналов. Второй документ, автором его является Джошуа Криссансен – Тоттон из Университета штата Вашингтон, а также Олсон и Дэвид Кэтлинг, содержит результаты исследования в качестве потенциальных биосигналов атмосферных газов. Которые могут производиться только в присутствии жизни.
Изменение сезонов в атмосферах экзопланет
Данные, полученные при анализе атмосфер экзопланет, меняются со временем. Например, с изменением сезонов года. Это может помочь исключить ложные срабатывания или негативы, которые происходят при отдельных наблюдениях моментального снимка. Понимая, как состав атмосферных газов меняется в течение года на Земле, ученые смогут выяснить, какие именно биосигналы следует искать на других планетах.
«Мы сможем понять, что планета обладает жизнью, если увидим, что деятельность ее биосферы меняет ее атмосферу в пространстве и времени», – заявляет Олсон.
Сезонность, наблюдаемая в атмосфере Земли, возникает из-за взаимодействия между биосферой и изменяющегося уровня солнечной энергии, достигающей нашей планеты в разных точках ее орбиты. Сезонные изменения изменяют баланс между двумя различными химическими реакциями: фотосинтезом и аэробным дыханием. Фотосинтез происходит, когда углекислый газ и вода реагируют, чтобы стать органическим веществом и кислородом. А аэробное дыхание вызывает обратную реакцию, производя углекислый газ и воду. Максимальное производство кислорода происходит в летние месяцы, когда температура выше.
Земной биосигнал
Исследователи изучили сезонные колебания уровня углекислого газа на Земле. Это биосигнал, который потенциально можно обнаружить на других планетах. Если допустить, что жизнь в других местах, также как наша, основана на углероде. Углекислый газ является важным компонентом атмосферы на пригодных для жизни мирах. Благодаря роли, которую он играет в регулировании климата посредством выветривания.
Ученые обнаружили, что за сезонные уровни диоксида углерода (CO2) отвечают в основном наземные экосистемы. Они находятся в непосредственном контакте с атмосферой. Это указывает на то, что изменчивость CO2 не может быть обнаружена в океанских мирах. Это видно на примере Земли, где Южное полушарие, в котором преобладают океаны, имеет более слабые уровни вариации количества СО2,чем Северное полушарие.
Сезонность уровня двуокиси углерода будет трудно обнаружить на других планетах. Но она является мощным индикатором наличия жизни. Поскольку она вряд будет встречаться на планетах, не имеющих твердой поверхности.
Исследователи также рассмотрели модель экзопланеты, которая является аналогом ранней Земли. Мира, где существует жизнь. Но в атмосфере все еще было очень мало кислорода. Слабые сигналы наличия кислорода трудно обнаружить. Но отличная от кислородной сигнатура озона (озон представляет собой молекулу, построенную из трех атомов кислорода) может быть более заметной в спектре экзопланеты. Такой сигнал, скорее всего, будет обнаружен у планеты с меньшим количеством кислорода, чем сегодняшняя Земля. Потому что озон может создать более сильный сигнал, чем кислород.
«Сезонность будет трудно обнаружить для планеты, напоминающей современную Землю. По крайней мере, в случае с кислородом», – объясняет Олсон. «Причина в том, что базовые уровни кислорода сегодня очень высоки. И поэтому небольшие сезонные колебания очень сложны для измерения на поверхности даже местных планет. А уж тем более на далекой планете».
Нестабильные атмосферы
Криссансен-Тоттон, Олсон и Кэтлинг также провели моделирование ранних земнопобных атмосфер. Но на этот раз они искали признаки их нестабильности. Означающие наличие в них газов, которые обычно не существовали бы в атмосфере без какого-либо активного процесса. Такого как жизнь, создающего их.
Сегодняшняя Земли обладает большой атмосферной нестабильностью своего состава. Исследователи вычислили, что такое состояние существует с момента появления жизни на Земле. И эволюция существующего неравновесия прямо связана с ростом биогенного кислорода в атмосфере.
Древняя атмосфера
В архейском эоне (от 4 до 2,5 миллиарда лет назад) нестабильность состава атмосферы была характерна сосуществованием в ней двуокиси углерода, азота, метана и жидкой воды. Которые обычно реагируют между собой с появлением аммония и бикарбоната. Что приводит к быстрому удалению метана из атмосферы без наличия жизни для его пополнения.
Двуокись углерода и метан будут обнаруживаться в спектрах экзопланет будущим телескопом JWST. Особенно на планетах, вращающихся вокруг красных карликов. Если их обнаружат, но при этом не будет обнаружен угарный газ – это может быть сильным биосигналом. Это связано с тем, что многие из небиологических реакций, которые могут отвечать за пополнение атмосферы метаном, также должны будут производить окись углерода (CO).
Наибольшим источником неравновесия атмосферы в протерозойском эоне (2,5-0,54 миллиарда лет назад) было сосуществование азота, воды и кислорода. И кислород, и азот производятся жизнью. И без жизни, пополняющей количество кислорода, они превращаются в азотную кислоту, растворенную в океане.
Обнаружение существования жизни, которая использует другие метаболические реакции, также возможно. Если атмосферные газы находятся в необычном неравновесии. Но это было бы сложно обнаружить.
«Обнаружение микробов, которые окисляют железо в океане, может быть сложным. Поскольку этот конкретный обмен веществ не приводит к образованию газообразных отходов», – говорит Крисансен-Тоттон. «Но среди возможных способов метаболизма, в ходе которого производятся отработанные газы, есть некоторые перспективные. Например, веселящий газ (N 2 O). Он представляет собой биогенное химическое соединение, которое мы не ожидаем обнаружить в равновесии в атмосферах безжизненных планет. Аналогично, различные метаболиты серы могут обнаруживаться, поскольку они изменяют количество органических молекул в атмосфере планеты, что выведет ее из равновесия».
Обнаружение аналогов древней земной атмосферы с признаками сезонности или неравновесности может свидетельствовать о том, что жизнь не только присутствует, но и эволюционировала аналогично жизни на нашей собственной планете.