По силам ли недавно запущенному орбитальному телескопу обнаружить, что на далекой планете зарождается жизнь? Новое исследование отвечает: да. «Джеймс Уэбб» способен засечь не меньше десятка интригующих признаков. Naked Science объясняет, что именно может обнаружить телескоп и как следует понимать такие находки.
Как обнаружить жизнь в системе другой звезды? Оставим в стороне фантазии об инопланетянах, которые посылают нам радиосигналы или хотя бы освещают ночью свои города. Можем ли мы обнаружить неразумную жизнь? И, более того, жизнь зарождающуюся?
Разглядеть на далекой планете леса, степи либо острова плавучих водорослей нашим телескопам еще не под силу. Но они могут кое-что рассказать о составе атмосферы других миров.
Примерно 70% всех известных экзопланет открыты благодаря транзитам. Транзит — это «микрозатмение». Оно происходит, когда планета, двигаясь по орбите, проходит между своей звездой и наблюдателем. Тем самым она затмевает собой часть света звезды. При этом лучи светила проходят через атмосферу экзопланеты и буквально просвечивают ее насквозь.
Атмосферные газы поглощают свет и инфракрасные волны на строго определенных частотах (спектральных линиях). У каждого вещества свои линии — индивидуальные, как отпечатки пальцев. Так что по спектру звездного света во время транзита можно судить о составе планетной атмосферы. Naked Science подробно рассказывал о сильных и слабых сторонах этого метода.
Признаки жизни
Газы, присутствие которых может быть связано с жизнью, по-английски называются biosignatures. Слово signature можно перевести как «признак», «отличительная особенность» и даже «подпись», но чаще всего biosignatures называют просто «биосигнатуры».
Самая популярная у теоретиков биосигнатура — кислород и его трехатомная разновидность, озон. Оба вещества очень активны и быстро расходуются в химических реакциях. Если в атмосфере есть кислород, значит, есть процесс, пополняющий его запасы. На Земле это фотосинтез. Вполне возможно, что и на других планетах — тоже.
Еще один кандидат — метан. Многие микроорганизмы выделяют этот газ. Два-четыре миллиарда лет назад, когда Земля была планетой микробов, концентрация метана в атмосфере была в 100 — 10 тысяч раз больше современной.
Есть еще множество веществ, претендующих на звание биосигнатур, — от простейших соединений вроде закиси азота (N2O) до сравнительно сложных, например диметилсульфида (CH3SCH3).
Важно понимать, что ни наличие, ни отсутствие биосигнатур ничего не гарантирует. Например, метана много и на безжизненном Нептуне, а кислорода и озона не было на Земле в первый миллиард лет развития жизни. Но и такие косвенные признаки лучше, чем ничего.
Какие биосигнатуры уже открыты на экзопланетах? Увы, пока никакие. Это задача для следующего поколения телескопов. Однако некоторые вещества — как минимум метан — может обнаружить и недавно запущенный инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб».
На возможностях «Уэбба» и сосредоточились авторы нового исследования, принятого в Astronomical Journal. Они пришли к выводу, что телескопу по силам зафиксировать целый десяток интересных веществ — правда, не биосигнатур, а пребиосигнатур.
Ученые добавляют к корню «био-» приставку «пре-», когда речь идет о процессе зарождения жизни из неживого вещества. Например, химические реакции, благодаря которым возникла жизнь, называются пребиохимическими.
Здесь мы вступаем на зыбкую почву. В условиях, предположительно царивших на древней Земле, химики получили аминокислоты, сахара и некоторые другие «строительные блоки» жизни, но не саму жизнь. Проблема ее происхождения — огромное поле исследований со множеством белых пятен, трудных вопросов и конкурирующих гипотез. Если биосигнатуры не гарантируют наличия биосферы, то пребиосигнатуры тем более не гарантируют ее зарождения. И все же, кого бы не взволновала новость о далекой планете, в бурлящем химическом котле которой может на наших глазах возникать жизнь?
У истоков живого
Что нужно для зарождения жизни? Во-первых, вещества, из которых могут синтезироваться аминокислоты, биосахара и так далее. Подобный «материал» исследователи назвали первичными пребиосигнатурами.
Во-вторых, для этого синтеза нужен источник энергии. Им могут быть вулканические извержения, молнии, падения астероидов или активность звезды. Все эти явления оставляют в атмосфере собственные следы — вторичные пребиосигнатуры.
Одно и то же вещество может быть одновременно и первичной, и вторичной пребиосигнатурой. Например, сероводород H2S может играть важную роль в синтезе аминокислот, из которых состоят белки, и азотистых оснований — строительных блоков ДНК и РНК. Так что он, конечно, первичная пребиосигнатура. Но в то же время и вторичная, ведь сероводород выбрасывают вулканы и горячие источники.
Что нужно, чтобы «Уэбб» заметил пребиосигнатуры? Прежде всего, чтобы их спектральные линии лежали в нужном диапазоне инфракрасных волн. И, конечно, чтобы эти вещества были сколько-нибудь стабильны, а не распадались, едва возникнув.
Исходя из этого, авторы выделили 10 веществ: аммиак (NH3), циановодород (HCN), цианоацетилен (HC3N), сероводород (H2S), сернистый газ (SO2), ацетилен (C2H2), метан (CH4), формальдегид (CH2O), монооксид азота (NO) и угарный газ (CO). Почти все они (кроме NO) — первичные биосигнатуры, а многие еще и вторичные.
Что делает эти вещества пребиосигнатурами? Прежде всего состав. Основа практически любой органической молекулы — каркас из атомов углерода (C), обрамленный атомами водорода (H). В большинстве биологически важных молекул присутствует и кислород (O). Бросается в глаза обилие заветных букв H, C, O в вышеприведенных формулах. Но выбранные авторами соединения — больше, чем случайные источники трех элементов. Химики знают множество пребиотических процессов с их участием: например, из формальдегида образуются сахара в знаменитой реакции Бутлерова.
Для синтеза аминокислот и азотистых оснований требуются еще и атомы азота (N). Чистый азот (N2) не годится на роль их источника: этот газ неохотно реагирует с другими веществами. Нужны активные, готовые к реакциям соединения азота. Самые перспективные кандидаты — как раз аммиак, циановодород и цианоацетилен. Для некоторых из этих реакций важны сероводород и сернистый газ. Ацетилен — естественный предшественник цианоацетилена, а метан, помимо прочего, — «сырье» для образования циановодорода.
Особняком стоит монооксид азота. Он не особенно важен в пребиотической химии, зато это прекрасная вторичная биосигнатура. NO образуется при ударах молний, падении крупных метеоритов и вторжениях в атмосферу заряженных частиц из короны звезды. Последние известны как CME (coronal mass ejection, то есть выбросы корональной массы).
