Коли шукають життя за межами Землі та мова іде не лише про розумне життя, а про життя взагалі, одразу виникає слово "біомаркери". Давайте розберемося, що це таке і чому з біомаркерами усе непросто.
Всемогутній спектрограф
Зазвичай інші планети знаходяться від нас настільки далеко, що дістатися до них, аби особисто перевірити, чи є на них рослини та тварини, ми не можемо. І якщо планети Сонячної системи ми (чисто теоретично) можемо докладно дослідити хоча б за допомогою автоматичних апаратів, то екзопланети, тобто планети, які обертаються навколо інших зірок, залишаться для нас недосяжними ще багато століть чи, навіть, тисячоліть.
Але для того щоб скласти певну думку про екзопланету, не обов'язково до неї летіти. Дуже багато про неї може розповісти світло. Світло можна розкласти на електромагнітний спектр і у тому спектрі побачити лінії поглинання. І ці лінії поглинання відповідають певним хімічним речовинам. Зазвичай за їх допомогою оцінюють вміст тих чи інших елементів у зірках чи газопилових туманностях, але і для пошуку складних молекул у атмосферах планет вони теж підходять. Бо коли світло від зірки проходить крізь газову оболонку планети, у його спектрі відображається одночасно і спектр зірки, і спектр атмосфери планети.
Тож, якщо ми знаємо, як виглядає спектр зірки і можемо вловити світло від планети, яка навколо неї обертається, то нам достатньо "відняти" від ліній поглинання у світлі від планети лінії, які там опинилися через зірку – і ми отримаємо спектр атмосфери планети.
Біологічні полімери
У спектрі від планети можуть бути присутнім тисячі різних речовин. І про наявність життя на планеті усі вони свідчать у різній мірі. Але є ряд молекул, виявлення яких на іншому небесному тілі однозначно свідчитиме, що на ньому присутнє життя, причому дуже схоже на те, що ми бачимо на Землі.
Мова іде про великі полімерні молекули – білки, ДНК та РНК. Усе живе на Землі побудовано із цих трьох типів молекул, які являють собою довгі ланцюжки, що складаються із простих молекул – мономерів. Білки – це полімери, що складають більшу частину живої матерії на землі. Вони вміють переносити різні речовини, будувати тканини, виконувати різну корисну роботу, але не вміють зберігати інформацію. За них це робить дезоксирибонуклеїнова кислота – інший полімер, який сам по собі роботи не виконує, зате може зберігати інформацію і забезпечувати еволюцію.
Цікаво, що при цьому наявність у спектрі планети і ДНК, і білків означає, що життя на планеті не просто є. Воно є достатньо розвиненим і вже досягло принаймні рівня мікроорганізмів. А ось із третім біологічним полімером не все так просто. Рибонуклеїнові кислоти будуть присутні у атмосфері і тоді, коли життя на планеті вже досягло клітинного рівня. Але якщо у спектрі присутні лише вони, то це може свідчити про те, що життя на планеті знаходиться на початковій стадії. Справа у тому, що рибонуклеїнові кислоти одночасно можуть і зберігати інформацію, і виконувати щось корисне, наприклад керувати примітивним синтезом білків. Попри те, що обидві функції РНК виконує гірше за спеціалізовані полімери, сама по собі молекула рибонуклеїнової кислоти може розглядатися як найпримітивніша форма життя, щось схоже на найпримітивніший вірус.
А от із мономерами, з яких складаються усі три типи біологічних мономерів не все так просто. Справа у тому, що вони можуть утворюватися із неорганічних речовин внаслідок процесів, які із діяльністю життя, здатного до еволюції не пов'язані. Зрештою, найпростіші амінокислоти – мономери, із яких складаються білки – вже знайдені у міжзоряних газопилових хмарах, але про життя там мова не іде. Ми не знаємо на якому етапі перетворення окремих амінокислот у біологічні полімери можна вже говорити про початок життя. Ми просто досі остаточно не зрозуміли, як це відбувається. І є ще один момент: амінокислот існують сотні. Але усе життя на землі використовує для побудови білків із них тільки 20. Що буде, якщо спробувати побудувати життя на основі інших амінокислот? Чи буде воно схоже на земне і чи можливо це взагалі? На ці питання ми теж не маємо відповіді. Тобто, амінокислоти самі по собі є непоганим маркером життя, але стовідсоткової гарантії його існування не дають.
Вода
Але чим складніша молекула, тим важче її визначити у атмосфері з великої відстані. Не тому, що складно через її структуру, просто зазвичай таких молекул надзвичайно мало у атмосфері. Значно легше виявити якісь прості речовини, які тісно пов'язані із життєдіяльністю організмів. І на першому місці тут знаходиться вода.
Монооксид дігідрогену є універсальним розчинником і цей факт визначає те, що усі органічні реакції відбуваються у рідкій воді. Саме тому вже звичною формулою у пошуку позаземного життя стало "де вода – там життя". Саме тому ще відносно недавно пошуки води у космосі ставилися на перше місце у пошуку життя без уточнення, яка саме вода потрібна. Однак у останні два десятиліття виявилося, що води у космосі дійсно багато. У вигляді криги вона присутня на багатьох супутниках та малих небесних тілах у нашій Сонячній системі, а у вигляді молекул є на Нептуні та у складі газопилових хмар, що оточують пульсари. Але у таких місцях життя далі ніж синтез найпростіших органічних молекул не заходить попри наявність там цієї води. Принаймні, поки що про це говорять усі дослідження.
Саме тому останнім часом у космосі воду шукають переважно у рідкому вигляді на поверхні планет. Але і тут не все так просто. Температура перетворення води на пару залежить від атмосферного тиску. Точніше, від тиску водяної пари у цій атмосфері, але у звичайних умовах це практично одне і те саме. Тобто, треба ще враховувати те, як виглядає атмосфера планети. До речі, дуже важко судити за результатами спектроскопії про те, чи існує на поверхні океан або це просто водяна пара. Тут вирішальною є температура атмосфери.
Також треба враховувати те, чи є вода чистою, чи вона є розчином солей. Справа у тому, що деякі водні розчини солей здатні лишатися рідкими і при мінус 50 за Цельсієм. Але такі розчини самі по собі є отрутою і життя у них неможливе. Прикладом можуть служити перхлорати, знайдені на Марсі.
Кисень
У цьому плані значно кращим біомаркером виступає кисень. Він теж зустрічається у всесвіті у великій кількості і при цьому утворюється у деяких небіологічних процесах і не утворюється у купі процесів біологічних. Чим же він краще? Якщо відкинути планети-гіганти і залишити тільки ті, що схожі розмірами на Землю, то на них кисень, що утворюється внаслідок абіотичних процесів, має швидко зникати. Справа у тому, що виділяється його небагато і він активно вступає у реакцію окиснення із гірськими породами, що утворилися в глибині планети, а потім були викинуті на її поверхню.
І якщо планета вкрита океаном, то це справі також не допомагає. Кисень добре розчиняється у морській воді і у розчиненому стані зберігає здатність окиснювати гірські породи,що знаходяться на дні океану. Тобто увесь абіотичний кисень має дуже швидко "відсмоктуватися" із атмосфери океанами та гірськими породами.
Якщо у атмосфері землеподібної планети присутня велика кількість кисню, це значить, що він має бути біологічного походження. При цьому треба пам'ятати, що кисень виробляють не будь-які організми. На Землі для того, аби навчитися його виробляти з вуглекислого газу, живим істотам знадобилося два мільярди років. Тобто, сама по собі відсутність кисню не означає, що життя на рівні одноклітинних організмів немає. Зате його наявність чітко свідчить про те, що принаймні до рівня ціанобактерій життя на планеті дійшло. Що стосується можливості існування багатоклітинного анаеробного життя, то це питання цікаве. З одного боку, на Землі існують багатоклітинні анаероби. З іншого – судячи з усього походять вони від багатоклітинних аеробних предків. Принаймні перші багатоклітинні організми на Землі з'явилися набагато пізніше того моменту, коли ціанобактерії наситили атмосферу та океан киснем. На сьогоднішній день вчені взагалі сильно сумніваються, що з анаеробної бактерії може утворитися справжній багатоклітинний організм.
Сірководень, фосфін та метан
Із життєдіяльністю живих організмів пов'язана купа інших речовин, і теоретично ці речовини також можна використовувати у якості біомаркерів, але це пов'язано із ще більшою купою проблем. Візьмемо для прикладу сірководень. На землі він є типовим продуктом життєдіяльності багатьох анаеробних організмів і – чисто теоретично – його високий вміст в атмосфері Венери може означати, що в певних її шарах можуть жити бактерії. Але такий висновок робився із огляду на те, як сірководень поводить себе на Землі, де його джерел відносно мало, а кисень його руйнує досить швидко. На Венері, де кисню немає, а вулканів, навпаки, багато, можуть існувати цілком абіотичні джерела його потужного поповнення.
Те ж саме стосується і фосфіну – з'єднання фосфору із воднем. На Землі його основним джерелом є саме живі істоти. А ось у надрах Юпітера, де фосфін також виявили, він цілком може утворюватися у природніх умовах, бо температура там сягає 500 градусів за Цельсієм, а тиск складає сотні і тисячі атмосфер. У таких умовах фосфор просто з'єднується із атомарним воднем, що на Землі уявити просто неможливо. Тобто, аналізуючи такі ось біомаркери, насправді, треба враховувати купу інших факторів.
Особливо наочно це виглядає на прикладі метану. На сучасній Землі абсолютна більшість метану – результат життєдіяльності організмів. Але причина цього – знову ж киснева атмосфера планети. Там, де її немає, метану може бути значно більше, ніж на Землі. Прикладом може служити супутник Сатурну – Титан, де з метану складається більша частина атмосфери. Але саме це свідчить про те, що життя на Титані немає, бо якби воно було, то метан так чи інакше почав би зникати.
Альбедо планети
Одним тільки спектрографом справа не обмежується. Є можлива ознака життя, яка із хімічним складом планети не пов'язана. Мова іде про альбедо планети, тобто те, як сильно вона відбиває сонячні промені. Крига відбиває промені дуже інтенсивно, а ось океан – значно менше. А ліси – ще менше. Тобто, загалом, чим біліша планета, тим менше шансів, що вона виявиться придатною до життя.
Але і тут не все так просто. Справа у тому, що такий погляд абсолютно не враховує потужний хмарний покрив, який теж має неабияке альбедо, але при цьому клімат під тим покривом може бути досить різним. Тривалий час вважалося, що під таким покривом має бути арктична тундра, бо він же не пропускає сонячні промені. Але останні моделі показують, що на планетах зі щільною атмосферою під покровом може ховатися справжня теплиця. Зрештою, у Венери теж хмарний покрив немаленький.
Нарешті не тільки саме альбедо, але і його зміна протягом планетарного року може бути дуже надійним маркером існування життя, причому високорозвинутого. Однак для цього планета має бути достатньо схожою на Землю, тобто, обертатися навколо зірки за достатньо великий час та мати нахил вісі до площини орбіти. Внаслідок цього на планеті має спостерігатися зміна сезонів. І ось цю зміну сезонів, пов'язану із опаданням листя, цілком можна побачити як зміну альбедо. І це буде не просто біомаркером, а біомаркером надзвичайно розвинутого наземного життя.
В цілому можна зауважити, що наявні на сьогодні біомаркери цілком можна розглядати як потужні свідчення існування життя на планеті. Але більшість із них не дає жодних гарантій того, що життя існує. Ми можемо поки що говорити про його можливість на тій чи іншій планеті.
