Где искать внеземную жизнь? 

Планет невообразимо много. Благодаря открытиям последних 20 лет мы знаем, что в нашей галактике находится огромное число планет, многие из которых, предположительно, имеют спутники. Теоретически, немалая их часть может быть пригодной для жизни. В то же время мы очень многое узнали о соседях Земли и допускаем возможность существования жизни на нескольких объектах Солнечной системы. Теперь интерес астробиологов не ограничивается Землей и Марсом.

Открытие жизни во Вселенной имело бы для нас колоссальные последствия. Если ее формы принципиально отличаются от земных, представляя собой «второй генезис» — результат другого акта спонтанного зарождения, — перед нами откроются уникальные возможности сравнительного научного изучения другого варианта биохимии. Это также станет убедительным свидетельством того, что жизнь для Вселенной — норма. Из наличия двух самостоятельных вариантов жизни автоматически следует, что в бесконечной Вселенной число таких вариантов практически бесконечно. Здесь действует правило «ноль-один-бесконечность», согласно которому количество любых объектов, если оно не равно нулю или единице, потенциально не ограниченно. Писатель-фантаст Айзек Азимов первым применил это правило при описании свойств Вселенной в классическом романе «Сами боги» (The Gods Themselves).

Первый шаг в поиске второй версии жизни — обнаружение пригодных для жизни планет. Критерии обитаемости первоначально основывались на условиях Земли, и главными считались наличие воды, поддерживаемой в жидком состоянии теплом солнцеподобной звезды. Но поскольку мы готовы искать жизнь в любом уголке Вселенной, тем более что открыто множество планет вне Солнечной системы, настало время тщательно обдумать требования к потенциально обитаемому миру и подобрать методы поиска таких миров и признаков жизни в них.

Наше представление о жизни неизбежно опирается на знания о биосфере Земли. Казалось бы, для начала нужно ответить на вопрос, что есть жизнь в принципе. Однако дать четкое определение этому понятию не представляется возможным. Вероятно, мы сможем его сформулировать, когда познакомимся со множеством других примеров жизни и используем их для сравнения, но базовые процессы жизнедеятельности слишком сложны, чтобы их удалось свести к компактному определению. Второй вопрос, возникающий в связи с поиском внеземной жизни, — как она зародилась. В настоящее время мы знаем только, что на Земле жизнь существует около 3,5 млрд лет, но где она возникла, как начинается (на Земле или в другом месте) и сколько времени длится этот процесс, нам не известно.

В отсутствие определения жизни и общепринятой теории ее происхождения лучшее, что мы можем сделать, — задаться вопросами, на которые мы можем ответить. Что нужно для жизни? Каковы предельные условия ее существования? Из чего она строится? Чем занимается? Ответы на них создают основу для понимания того, какие миры пригодны для жизни и как искать признаки ее существования в них. Важнейшие требования жизни на Земле можно свести к следующему короткому списку: энергия, углерод, жидкая вода и еще несколько составляющих.

Главное требование земных обитателей к среде — наличие жидкой воды. Именно ее присутствие или отсутствие определяет обитаемые и необитаемые места на Земле, и мы предполагаем, что это условие выполняется и в других мирах. Неудивительно, что поиск внеземной жизни в настоящее время осуществляется по принципу «следуй за водой ».

Европа, один из больших спутников Юпитера, полностью покрыта льдом и лишена атмосферы. Есть, однако, убедительные свидетельства того, что под ледяным панцирем прячется покрывающий всю поверхность океан, который разогревают приливные силы, вызванные обращением Европы вокруг Юпитера. На снимках Европы, сделанных аппаратом «Галилео», были идентифицированы айсберги и растаявшие и вновь замерзшие водоемы, доказывающие наличие, по крайней мере когда-то, подповерхностного океана. Более того, магнитометр «Галилео» показал, что этот океан существует и сейчас, зафиксировав сплошной слой солоноватой жидкой воды. Полосы на поверхности Европы могут быть трещинами в ледяном панцире, через которые воды океана выходят на поверхность.

Под толстым панцирем льда океан Европы должен представлять собой мир вечной тьмы, отрезанный от внешних источников органики и предположительно лишенный кислорода. Любопытно, что на Земле есть несколько микробиотических экосистем, процветающих именно в таких условиях.

Жизни нужна энергия, чтобы производить биомассу и питать биохимические реакции. Земная жизнь получает энергию от солнечного света или из химических источников. Большинство земных экосистем напрямую или опосредованно питаются энергией Солнца, в том числе и подповерхностные, поскольку они в основном извлекают энергию из проникающей с поверхности планеты органической материи, сформировавшейся благодаря фотосинтезу. Сообщества микробов и животных, существующие вблизи глубоководных вулканов, иногда приводятся в качестве примера того, как могла бы возникнуть и сохраниться жизнь в подледном океане Европы. Однако источником энергии для этих вулканических экосистем служит реакция сероводорода, поступающего из жерла вулкана, с растворенным в воде кислородом, который изначально возник на поверхности планеты благодаря фотосинтезу под воздействием солнечного света.

На Земле действительно имеется три экосистемы микробов, которые не нуждаются в солнечном свете и совершенно не зависят от кислорода или органики, производимой фотосинтезом на поверхности планеты. Основой двух из этих анаэробных хемосинтезирующих экосистем являются вырабатывающие метан микроорганизмы, которые потребляют водород, образующийся при реакциях каменистой породы и воды в приповерхностном слое вулканических скал, а третьей — сероредуцирующие бактерии, подобно окислительно-восстановительным парам использующие химическую энергию радиоактивных источников глубоко под землей.

Главная проблема с жизнью на Европе — это вопрос о ее зарождении. Не имея ни законченной теории происхождения жизни, ни успешного эксперимента по синтезу живой материи в лабораторных условиях, мы вынуждены реконструировать процессы возникновения внеземной жизни по аналогии с земными и предполагать, что эта жизнь зародилась в условиях, подобных земным. Имеется также гипотеза, что на Земле живая материя возникла возле гидротермальных источников на океанском дне. В таком случае перспективы обнаружения жизни на Европе выглядят более обнадеживающими.

Все живое состоит из соединений углерода, представляющих собой предмет изучения органической химии. Кроме углерода органические соединения включают ряд других элементов, однако из этого не следует, что наличие их всех является обязательным условием существования жизни в других уголках Вселенной. Кроме воды и углерода, пожалуй, главные претенденты на роль обязательных элементов — азот, сера и фосфор. В живой материи, как и во Вселенной в целом, содержится больше атомов водорода, чем атомов всех остальных элементов вместе взятых. Например, живая ткань бактерии E. coli состоит на 60% из водорода, на 27% из кислорода, на 11% из углерода и на 2% из азота. На другие ключевые элементы, прежде всего кальций, фосфор, серу, натрий и хлор, в совокупности приходится менее 1% атомов этой бактерии. Преобладание водорода и кислорода и их относительное количество отражают огромное значение соединения H₂O для живых систем. Четыре главных элемента жизни, Н, О, С и N, относятся к числу самых распространенных в Солнечной системе и в Галактике.

Из этих элементов жизнь строит стандартные комплексы биомолекул, которые затем собирает в необходимые ей длинные биохимические полимеры: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Белки состоят из 20 аминокислот, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК, хранящие генетическую информацию, — из пяти нуклеиновых оснований, а полисахариды — из нескольких простых сахаров. Эти полимеры плюс ряд липидов (молекулы жиров и жироподобных веществ, такие как воски и стеролы) составляют материальную основу жизни. Ее программная основа — информация, хранящаяся в генах, — столь же обязательна для существования жизни и может быть прослежена вплоть до общего для всех ее форм предка.

Итак, сформулируем еще раз главный отличительный признак биохимии. Обычные в космосе элементы живая материя сгруппировала в относительно простые молекулы — мономеры, которые могут соединяться друг с другом, образуя более сложные биомолекулы. Аналогично мы лепим из повсеместно встречающейся глины кирпичи, из которых затем строим сложные архитектурные сооружения. Ныне основу поиска жизни в Солнечной системе составляет выявление именно таких биохимических комплексов, пусть даже остатков мертвых организмов, а не живых существ. Давайте оценим условия на других объектах нашей Солнечной системы с точки зрения указанных признаков пригодности для жизни.

Итак, при наличии жидкости, энергии и нескольких ключевых элементов, что еще должно быть на планете, чтобы на ней могла процветать жизнь? Немногое. Главное — вода в жидкой форме, во всем прочем жизнь чрезвычайно неприхотлива, а в некоторых своих формах способна переносить высокий уровень ультрафиолетового и космического излучения. Есть и фотосинтезирующие организмы,

довольствующиеся светом в тысячи раз слабее прямого солнечного света. Возможности существования жизни ограничены, прежде всего, доступностью воды. При высоких температурах полярность воды снижается и клеточные мембраны разрушаются. При низких температурах вода замерзает. Показатели солености и pH также влияют на способность жидкой воды участвовать в процессах жизнедеятельности. При их крайних значениях жизнь становится невозможной. Вид цианобактерий, обитающий в соляных куполах чрезвычайно засушливого региона — пустыни Атакама, — выдерживает жестокий дефицит воды, присутствие окислителей и высокую соленость. Это земной рекордсмен среди форм, способных процветать в экстремальных условиях.

Многие виды активности живых систем эффективно описываются определением эволюции по Дарвину: непрерывный цикл воспроизводства, мутации и отбора. Этим и занимается жизнь, и в этом ее отличие от сложных, открытых, но неживых систем, например ураганов, которые также рождаются, проходят стадии жизненного цикла, в течение которого самоорганизуются и потребляют энергию, а затем умирают. Они даже способны к репродукции. Почему же они не считаются живыми? Потому что не хранят информацию в генетическом материале. Благодаря этой информации возможна эволюция, следовательно, именно она определяет разницу между формами жизни и самоорганизующимися открытыми системами. Мы предполагаем, что внеземная жизнь также должна эволюционировать, даже если ее материя состоит из совершенно других молекул и даже элементов, нежели наша жизнь.

Поиск жизни обычно строится на предпосылках, что она нуждается в жидкой среде, причем этой жидкостью обязательно должна быть вода или по крайней мере водный раствор. Но взглянем на Титан, самый большой спутник Сатурна. У него имеется мощная атмосфера, состоящая преимущественно из азота и метана с содержанием множества других органических молекул. Давление на его поверхности в 1,5 раза превышает земное давление на уровне моря, температура приближается к -180°С. При таком холоде существование жидкой воды невозможно, однако атмосферный метан может перейти в жидкое состояние. Если допустить возможность возникновения жизни на основе метана и этана, то следует пересмотреть все исходные допущения относительно ее биохимии, поскольку биохимические процессы земной жизни идеально адаптированы к условиям Земли.

Органическая материя в атмосфере Титана — потенциальный источник химической энергии для жизни, а сжиженный метан на его поверхности мог бы служить жидкой средой для жизни альтернативного типа. Сжиженный метан имеет низкую температуру и является худшим растворителем, чем вода. Чтобы выжить в таком слабом растворе, нужен способ активного поиска питательных веществ и доставки их в живую клетку. Клетки могут выглядеть как большие листы бумаги, чтобы иметь большую площадь поверхности для сбора нутриентов. Энзимы способны выступать катализаторами необходимых реакций даже при низких температурах. Если на Титане существует углеродная жизнь в жидком метане, она может быть распространена по всей его поверхности и оказывать глобальное влияние на атмосферу. Самый вероятный источник химической энергии для жизни на Титане — водород, возможно, вместе с ацетиленом. В таком случае убыль водорода в атмосфере вблизи поверхности стала бы самым доступным для наблюдения признаком жизни на Титане.

На основе имеющихся знаний о физических и химических характеристиках Титана можно предположить, что — при наличии там жизни — малое разнообразие доступных элементов ограничивает сложность жизненных форм и экосистем. Это усугубляется низкой температурой жидкой среды, сводящей ее растворяющую способность к минимуму.

С учетом этих ограничений жизнь, если она обнаружится в холодных морях на поверхности Титана, окажется простой, гетеротрофной (не способной создавать для себя питание, в отличие от земных растений), с замедленными метаболизмом и адаптацией при малой генетической и метаболической сложности. Поскольку жидкий метан и этан находятся на поверхности Титана повсюду, простые молекулы, необходимые для метаболизма, могут быть повсеместно распространены в окружающей среде и в морях этих сжиженных газов, однако получение или синтез сложных органических молекул для построения структурных или генетических систем, по-видимому, сильно затруднены. Возникающие в таких условиях сообщества будут характеризоваться экологической простотой и, возможно, напоминать экосистемы микробов, обнаруживаемые в экстремально холодных и сухих местах Земли.

Преимуществами для жизни на Титане являются дармовая пища, буквально падающая с неба в форме органики (прежде всего, ацетилена и водорода), химически неагрессивный характер неполяризованного растворителя (в отличие от воды, не разрушающего биомолекулы), отсутствие ультрафиолетового и ионизирующего излучения на поверхности и низкий уровень термодеструкции благодаря холоду. Пищевая система на Титане возможна лишь самая простая, по-видимому без первичных продуцентов и без хищников. Фотосинтез представляется недоступным при уровне сложности, достижимом в условиях ограниченного химического и, соответственно, генетического разнообразия. Впрочем, еда достается даром. Приспособленные к низким температурам простые жизненные формы и сообщества, вероятно, характеризуются крайне низкими требованиями к энергии и медленным ростом. Жизнь на Титане возможна самая примитивная, но если она обладает генетической системой, развиваясь, таким образом, строго по Дарвину, то являет собой очевидный и потрясающий пример второго генезиса.

Список обнаруженных экзопланет и экзоспутников стремительно пополняется, и мы, очевидно, найдем много миров, напоминающих Землю, — более землеподобных, чем любой объект Солнечной системы. При изучении пригодности экзопланет для жизни можно исходить из тех же предпосылок, что и при изучении Солнечной системы. Выполнение условий существования жизни на Земле, необходимый элементный состав и средовые ограничения позволяют оценить шансы на обитаемость экзопланет и их спутников. Температура — важнейший фактор, поскольку от нее зависит наличие жидкой воды, кроме того, ее можно непосредственно измерить по данным астрономических наблюдений и климатическим моделям экзопланетарных систем. Организмы способны расти и размножаться при температурах от -15°С до +122°С. Исследование жизни в экстремально пустынных условиях показывает, что и ничтожное количество осадков, туман, снег и даже атмосферная влажность могут обеспечивать фотосинтез и поддерживать маленькое, но обнаруживаемое сообщество микробов. Жизнь способна существовать при освещенности в одну стотысячную потока солнечной энергии. Ультрафиолет и космическое излучение переносятся многими микроорганизмами даже при очень высокой интенсивности и вряд ли являются ограничивающими факторами для жизни на экзопланетах. Таким ограничителем может служить биологически доступный азот. Содержание в атмосфере экзопланет более нескольких процентов кислорода будет свидетельствовать о присутствии многоклеточных организмов, а высокий уровень кислорода в землеподобных мирах — о фотосинтезе, поддерживающем мощный растительный покров и создающем условия для существования крупных животных. Другие параметры, например уровень pH и соленость, могут колебаться в широких пределах и едва ли станут ограничителями для жизни на всей планете или спутнике.

Вскоре мы можем открыть множество землеподобных экзопланет и обнаружить на них убедительные свидетельства присутствия биогенных газов (кислорода, метана и т.д.). Однако на сегодняшний день мы не располагаем методами астробиологического изучения этой жизни. Следовательно, мы не сможем определить ее биохимический состав и ответить на вопрос, действительно ли перед нами второй генезис или эта жизнь каким-то образом связана с земной. В отличие от объектов Солнечной системы человечество сможет подвергнуть биохимическому исследованию отдаленную экзоземлю не ранее чем через множество поколений.

Подводя итоги, попробуем оценить последствия обнаружения жизни поблизости от Земли, скажем на Марсе. Если Марс окажется местом второго генезиса, будет ли это открытие сугубо научным или имеющим нравственное значение для человечества? Действующие правила планетарной защиты направлены скорее на охрану будущих научных исследований, а не внеземных организмов или экосистем. Открытие второго генезиса жизни на Марсе — даже если ее представителей можно будет разглядеть только в микроскоп — поднимет новые исключительно значимые вопросы экологической этики и заставит (во всяком случае, должно заставить) нас выработать этические принципы с учетом того, что внеземная жизнь резко отличается от земной и по уровню своего развития не перешагнула планку микроорганизмов. Надеюсь, нам хватит мудрости переключиться с отстраненного сбора научных данных в космосе на ответственные действия по защите и обеспечению многообразия жизни во Вселенной.