Воображаемая жизнь

Среди всех внеземных мест, где должно быть легко найти свидетельства существования живых организмов, Марс, несомненно, возглавляет список. Пожалуй, за последние полвека на Красную планету прилетела настоящая армада космических кораблей. Спускаемые аппараты совершили посадки во многих местах на поверхности Марса, и в то время, когда мы пишем эти строки, марсоход «Кьюриосити» поднимается на интересную в геологическом отношении гору близ экватора планеты. Несомненно, к настоящему времени мы должны были бы получить окончательный ответ на вопрос о том, существует ли жизнь на этой планете сейчас или существовала ли она там в прошлом.

Не будем торопиться с выводами. Дело в том, что с 1976 года, когда спускаемый аппарат «Викинг» стал первым космическим кораблём человечества, посетившим поверхность Марса, в научном сообществе ведутся вялотекущие дебаты относительно доказательств существования жизни, обнаруженных этими машинами (или же их отсутствия). Важность этого вывода трудно переоценить. Если не будет разработано что-то вроде фантастического варп-двигателя из «Звёздного пути», мы никогда не сможем исследовать ни одну экзопланету так, как мы исследовали Марс. Если после полувека интенсивных исследований мы всё ещё не можем решить, есть (или была) ли там жизнь, есть ли у нас надежда ответить на этот вопрос применительно к планете, удалённой от нас на целые световые годы?

Поиск жизни на Марсе можно описать как упражнение в разочаровании. Раз за разом мы обнаруживали там вещи, которые можно было бы объяснить присутствием жизни, но лишь для того, чтобы понять, что их с таким же успехом могли бы объяснить обычные химические реакции. У нас на руках остаётся множество подсказок, но окончательных ответов на наши вопросы нет. Как мы уже сказали, это печально.

Марсианские хроники

Два спускаемых аппарата «Викинг» в 1976 году были успешно приведены в действие в разных местах на поверхности Марса. В каждый спускаемый аппарат были заложены четыре эксперимента, целью которых было обнаружение признаков жизни:

Результаты первых трёх экспериментов были однозначными: они не выявили никаких признаков биологической активности, и фактически вообще не обнаружили никаких признаков органических молекул. Однако эти эксперименты были разработаны исходя из предположения, что жизнь на Марсе будет иметь обмен веществ, аналогичный таковому у жизни на Земле — а это предположение, которое может быть верным или неверным, как мы уже указывали в главе 3. Они также были предназначены для отбора проб только из самых верхних слоёв марсианской почвы, не глубже примерно одного дюйма (2,5 см).

Однако результаты экспериментов с маркированным выбросом привлекли наибольшее внимание и вызвали дебаты, длившиеся полвека. Вот как осуществлялись эти эксперименты: образец почвы, собранный с поверхности, помещали в камеру и добавляли смесь воды и молекул питательных веществ. Эти молекулы были синтезированы так, чтобы в них содержалось большое количество атомов углерода-14. (Углерод-14 является более тяжёлым родственником более распространённого углерода-12.) Углерод-14 вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен. Следовательно, его присутствие в любом образце легко обнаружить. Логика эксперимента была проста. Если бы в марсианской почве были микробы, они усваивали бы питательные вещества и выделяли углекислый газ (радиоактивный), который появлялся бы в газе над образцом почвы. И вот, о чудо, оба спускаемых аппарата сообщили о присутствии газа с «меченым» углекислым газом.

К сожалению, эйфория, последовавшая за этим объявлением, оказалась недолгой. Когда во второй и третьей повторностях в камеру было добавлено больше питательных веществ, радиоактивного углекислого газа больше не наблюдалось. Если бы первоначальный сигнал исходил от микробов, утверждали учёные, то их популяция должна была бы расти и выделять больше газа всякий раз, когда добавлялся питательный раствор. Однако если бы этот сигнал был вызван небиологической химической реакцией в марсианской почве, реагирующие химические вещества израсходовались бы при первом впрыске, и никаких последующих взаимодействий не случилось бы. Конечно, это именно то, что увидели учёные, и общим мнением, как тогда, так и сейчас, является то, что спускаемые аппараты «Викинг» не обнаружили явных доказательств существования жизни на Марсе. Кроме того, последующие эксперименты выявили способы, посредством которых обычные химические реакции в марсианской почве могли привести к образованию обнаруженного углекислого газа.

Однако это ещё не конец истории. С 1976 года небольшая, но активная группа учёных утверждает, что данные «Викинга», будучи правильно интерпретированными, действительно установили наличие микробной жизни на Красной планете. Например, на крупной конференции НАСА по внеземной жизни в 2016 году почти всё время для вопросов и ответов после одной презентации было занято оживлённым (а иногда и жарким) обсуждением результатов, полученных «Викингом».

Но надежды на марсианскую жизнь поддерживали не только результаты экспериментов «Викинга». Ещё в 1971 году космический корабль «Маринер-9», находившийся на орбите Марса, прислал фотографии его поверхности, которые для всего мира выглядели как земные речные сети. С тех пор орбитальные и посадочные аппараты предоставили неопровержимые доказательства того, что по поверхности планеты когда-то текла жидкая вода, и что в начале истории Марса его северное полушарие несло на себе океан. Поскольку это происходило бы в то же время, когда развивалась жизнь на Земле, идея о том, что на раннем Марсе могла появиться жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь вымерла, когда планета потеряла свои океаны и атмосферу, говорилось далее, мы должны суметь отыскать ископаемые доказательства этого.

У марсианской поверхности есть одна особенность, которая заставляет учёных скептически относиться к мысли о том, что свидетельства прошлой жизни в виде органических молекул могут сохраняться и сегодня. Поскольку у Марса нет магнитного поля, он постоянно подвергается интенсивной бомбардировке солнечным излучением. Это создает высокие концентрации перекиси водорода (H₂O₂), мощного дезинфицирующего средства. В результате учёные полагали, что поверхность Марса, по сути, будет продезинфицирована, что уничтожит любые органические молекулы, созданные живыми организмами в прошлом.

Однако в 2018 году марсоход «Кьюриосити» обнаружил органические молекулы в горных породах, которые образовались, когда на Красной планете ещё существовали океаны на поверхности. И хотя эти молекулы, вероятно, не были созданы живыми организмами, их присутствие даёт нам надежду на то, что молекулы, которые в прошлом были частью живых систем, могли сохраниться до настоящего времени.

А как насчёт жизни, существующей на Марсе прямо сейчас? Мы взяли пробы только с верхнего уровня поверхности планеты, опустившись не более чем на несколько дюймов. Может ли скрываться нечто важное на больших глубинах? Пока марсоход «Кьюриосити» медленно торил себе путь по марсианскому ландшафту, аппарат «Mars Reconnaissance Orbiter» обнаружил на поверхности следы потоков, которые темнеют в зависимости от времени года. Эти следы могут образовываться в результате случайных извержений солёной воды из недр Марса, хотя некоторые учёные недавно предположили, что причиной их появления являются потоки песка, а не воды. Кроме того, в 2018 году учёные, анализируя данные с орбитального аппарата «Марс Экспресс», предположили, что под южным полюсом Марса находится озеро жидкой воды. И если сегодня под поверхностью имеется жидкая вода, разумно спросить: а не существует ли там ещё и микробная жизнь? Это ещё одна возможность, которую мы должны изучить.

А ещё есть метан. Метан — это простая молекула, состоящая из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Мы знаем его как природный газ и используем для обогрева наших домов и выработки электроэнергии. Это второстепенный компонент атмосферы Земли, составляющий чуть более 1800 частей на миллиард по объему (т.е. около 0,00018 процента земной атмосферы). Примерно 95 процентов земного метана образуется в результате микробиологических процессов, но существуют и небиологические процессы, в ходе которых он также может выделяться: например, когда грунтовые воды взаимодействуют с магмой вблизи вулканических горячих источников, или, что гораздо медленнее, когда обычные химические реакции в окружающей среде превращают оксид железа (ржавчину) в некоторые другие типы минералов.

В 2003 году астрономы на Земле, наблюдая в телескопы, обнаружили присутствие метана в атмосфере Марса с помощью метода, называемого спектроскопией, который мы опишем ниже. Его было немного — всего около 10 частей на миллиард по объему, намного меньше, чем концентрация на Земле, — но он там определённо был. Затем, когда марсоход «Кьюриосити» двигался по поверхности Марса в конце 2013 и начале 2014 года, произошло нечто странное: количество метана внезапно возросло, превысив в 10 раз порога обнаружения, а затем снова упало через пару месяцев.

Что же могло вызвать это странное событие, которое учёные сейчас называют выбросом метана? Это мог быть выброс в атмосферу пузыря метана, образовавшегося в результате обычных небиологических реакций. С таким же успехом это мог быть и результат резкого роста популяции подземных микробов. Хотя существование метана само по себе наводит на размышления, это определённо не доказательство существования жизни под землёй на Марсе. Еще один намёк, ещё одно расстройство.

Странная история ALH84001

Горы Алан Хиллс — это богом забытый уголок Антарктиды, расположенный примерно в 130 милях (200 км) к югу от основной американской базы в проливе Мак-Мердо. Любой, кто посетит этот район, увидит лишь обширные ледяные равнины с ледниками, медленно надвигающимися на линию невысоких холмов. Реакция большинства людей на это место проста: за каким чёртом кто-то захотел бы туда поехать? Ответ оказывается очень простым: за метеоритами.

Для начала, позвольте сказать пару слов для объяснения. Когда метеорит падает где-нибудь в ледниках вокруг Алан Хиллс, он вмерзает в лёд. Когда ледник течёт, он уносит метеорит с собой. Когда ледник поднимается на невысокие холмы, лёд стирается ветром (технический термин для этого — абляция), оставляя после себя метеорит. Таким образом, вы можете считать ледяные поля своего рода конвейерной лентой, которая ловит метеориты и доставляет их на вершину хребта.

В 1984 году учёные, катавшиеся на снегоходах по ледникам, подобрали метеорит. Он не выглядел впечатляюще — размером с грейпфрут, весил около 4 фунтов (1,8 кг) и был покрыт почерневшим слоем, который появляется на метеоритах, когда они проносятся сквозь атмосферу Земли. Он получил название ALH84001: ALH от Алан Хиллс и 84001, потому что это был первый метеорит, найденный в 1984 году. Потом его положили куда-то в ящик стола и забыли на десять лет.

Однако, когда его, наконец, проанализировали в середине 1990-х годов, оказалось, что ALH84001 — редкая находка. Во-первых, газ, заключённый во внутренних пузырьках, соответствовал химическому составу атмосферы Марса, показывая, что метеорит происходит с этой планеты. Само по себе это не так уж необычно — мы обнаружили более 100 кусков породы, которые были выбиты с поверхности Марса астероидами и оказались на Земле. А вот возрастные характеристики ALH84001 действительно привлекали внимание. Радиометрическое датирование установило, что порода образовалась около 4 миллиардов лет назад, когда на Марсе было много жидкой воды. Метеорит был выброшен с Марса около 17 миллионов лет назад в результате падения метеорита, блуждал по орбите вокруг Солнца, и в итоге упал в Антарктиде около 13 000 лет назад. Другими словами, ALH84001 сформировался в то время, когда на Марсе могла развиться жизнь. Это молчаливый памятник тому периоду, когда сосед нашей планеты был очень похож на Землю.

В 1996 году группа учёных НАСА во главе с астрономом Дэвидом Маккеем (1936-2013) сделала удивительное заявление. После изучения ALH84001 они утверждали, что метеорит содержал окаменелости живых существ, которые обитали на Марсе. В основе их утверждения лежали четыре открытия:

Трудно переоценить то влияние, которое оказало это утверждение на учёных и общественность. Оно даже стало причиной заявления президента Билла Клинтона в Белом доме, и, возможно, повлияло на создание нынешней программы НАСА в области астробиологии. Но шло время, и начали всплывать неизбежные контраргументы.

Например, отмечалось, что молекулы ПАУ встречаются во Вселенной повсеместно и обнаруживаются во многих местах — таких, как кометы и даже межзвёздное пространство, где жизни нет. Что касается физического сходства «окаменелостей», то было отмечено, что формы некоторых известных небиологических минеральных образований на Земле имитируют формы клеток. Кроме того, образования из метеорита, объявленные биологическими, были примерно в 100 раз меньше, чем те, что обнаруживаются в любых известных клетках на Земле. На самом деле они должны были бы быть примерами нового класса жизни, известного как нанобактерии — это нечто теоретически возможное, но так никогда и не обнаруженное. Наконец, было высказано предположение, что некоторые из помянутых учёными комбинаций минералов были результатом процедур, используемых при подготовке образцов для исследования в электронных микроскопах.

Некоторое время самым сильным аргументом в пользу утверждения о марсианских окаменелостях оставались цепочки магнетита. Земные бактерии используют подобные цепочки, чтобы различать «верх» и «низ» в мутной воде пруда, следуя линиям магнитного поля. Поскольку у Марса в начале его жизни, возможно, было магнитное поле (сейчас его нет), такая адаптация имела бы смысл на Красной планете. Однако учёные показали, что кристаллы магнетита того типа, который был обнаружен в ALH84001, могли появиться в результате небиологических процессов, связанных с прохождением метеорита сквозь атмосферу Земли до его столкновения с поверхностью.

Итак, мы снова сталкиваемся с неоднозначными доказательствами, вызывающими лишь разочарование. Структуры в ALH84001 могли быть марсианскими окаменелостями, но они также могли быть результатом небиологических процессов. И мы опять не можем сделать определённый вывод о текущем или былом присутствии жизни на внеземной планете, которую мы исследовали тщательнее всего. Как же тогда мы будем искать жизнь на всех известных нам экзопланетах?

Спектроскопия как последний довод

В самом начале 19 века французский философ Огюст Конт (1798-1857), выделивший область науки, которую он назвал социальной физикой, а мы называем социологией, составил список научных проблем, которые никогда не будут решены. Примечательным дополнением этого списка был химический состав звезд.

Рассуждения Конта были просты. В его время единственным способом определения химического состава какого-либо материала было подвергнуть его анализу в лаборатории. Поскольку мы никогда не сможем положить кусок «звёздного вещества» на лабораторный стол, рассуждал Конт, мы никогда не сможем узнать, из чего сделана звезда. Можно даже представить себе, как он говорит, что мы никогда не сможем узнать химический состав экзопланеты, поскольку не можем отправиться туда.

Однако в 1859 году два немецких учёных, каждый из которых был известен главным образом своими прочими достижениями, встретились в лаборатории в Гейдельберге и изменили наш подход к анализу Вселенной. Густав Кирхгоф (1824-77) хорошо известен студентам-физикам как автор свода законов, позволяющих анализировать сложные электрические цепи, а Роберт Бунзен (1811-99) изобрел бунзеновскую горелку, которая есть в любой самой простой химической лаборатории. Они ввели в употребление процесс, в ходе которого свет от нагретого образца чистого материала пропускался через стеклянную призму для разделения цветов. Вместо того, чтобы получить ожидаемый непрерывный спектр (как радуга) они обнаружили, что каждый химический элемент даёт характерный, уникальный и хорошо распознаваемый набор определённых цветов. Эта совокупность называется спектром излучения, и поглощению фотонов определённых энергий соответствует определённый спектр. Раздел науки, посвященный изучению этих спектров, называется спектроскопией.

На самом деле тот факт, что химические элементы излучают свет определённого цвета, вам знаком. Вы когда-нибудь замечали, что некоторые уличные фонари излучают желтоватый свет? Такие натриевые лампы часто используются в районах, где часто бывают туманы, потому что их цвет обеспечивает наилучшую видимость в таких условиях.

Поскольку каждый химический элемент излучает свет с характерным набором цветов, если мы увидим этот оптический «отпечаток» в свете от какого-то источника, то мы можем быть уверенными, что источник содержит соответствующий химический элемент. Смысл этого так называемого спектроскопического анализа заключается в том, что неважно, насколько удалён источник света от детектора. Это может быть несколько дюймов или же несколько миллиардов световых лет. Как только спектроскопический «отпечаток» сформируется, он останется в луче света навсегда.

Здесь есть один забавный побочный эффект: в наше время сложный спектроскоп может поставляться с собственным встроенным компьютером и стоить много тысяч (и даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен построили первый спектроскоп из пары старых подзорных труб и (хотите — верьте, хотите — нет) коробки из-под сигар.

Лишь в начале 20-го века учёные, создавшие дисциплину под названием квантовая механика, выяснили, наконец, каким образом атомы образуют спектры. Вот упрощённая картина атома, которую они разработали: в отличие от планет в солнечной системе, электроны в атоме не могут иметь орбиты в произвольных местах. Их можно найти только на определённых расстояниях от ядра — на так называемых энергетических уровнях. Каждый из них обладает определённой энергией, поэтому, когда электрон перемещается между ними, атом будет излучать или поглощать определённое количество излучения, соответствующее разнице. Он испускает излучение, если электрон приближается к ядру, и поглощает излучение, если электрон удаляется от ядра. Поскольку атомы разных химических элементов обладают уникальным расположением энергетических уровней, каждый химический элемент поглощает и испускает излучение с уникальным набором частот — вот, что создаёт спектр.

Однако спектры излучают не только атомы. Любая система, в которой могут присутствовать разные энергетические уровни, может генерировать характерный «отпечаток». Например, сложные молекулы могут вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждый из этих режимов порождает характерный спектр. Поэтому можно подумать, что наука спектроскопия даёт нам идеальный способ поиска молекул, производимых живыми системами на далёких экзопланетах. Достаточно просто найти характерные следы биологических молекул в спектрах экзопланет, и мы получим неопровержимые доказательства существования жизни.

Давайте же взглянем на Землю: на химический состав её атмосферы оказало сильное влияние присутствие жизни. Вообще, среди всех многих сотен известных атмосферных газов лишь очень немногие не подвержены влиянию присутствия живых существ. Гелий, например, образовался в результате Большого взрыва и составляет около 1 процента атмосферы. Аргон присутствует в ещё меньших количествах; он образуется в результате радиоактивного распада калия глубоко в недрах Земли. Но в остальном живая природа образует, разрушает или видоизменяет практически каждый из газов атмосферы.

Кислород, которым мы дышим, образовался в результате фотосинтеза, в ходе которого растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в углеводы. Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет биологический молекулярный кислород — два атома кислорода, тесно связанных друг с другом, — на отдельные атомы кислорода. Затем они вступают в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона (O3). При дыхании и разложении организмов образуется углекислый газ — в противоположность процессу фотосинтеза. Другие газы, вроде сероводорода, выделяют сине-зелёные водоросли. А некоторые виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. Жизнь «проявляет» себя в составе земной атмосферы. Мы называем эти произведённые биологическим путём химические вещества биомаркерами или биосигнатурами жизни на Земле.

Можно подумать, что было бы легко просто найти такие химические вещества в атмосферах экзопланет с использованием техники спектроскопии, чтобы установить, есть ли там жизнь. Но при таком подходе мы сталкиваемся с тремя сложностями.

Первая сложность заключается в том, что экзопланеты светят чрезвычайно слабо для нашего зрения. Мы замечаем их по свету, который они отражают от центральных звёзд своих систем. На расстояниях, огромных даже в случае ближайших к Земле звёзд, обнаружить свет, отражённый планетой, невероятно сложно. Однако в последние несколько лет астрономы пользовались высокочувствительными детекторами, а также кое-какими довольно хитроумными стратегиями, для изучения света, отражаемого множеством экзопланет. Самая успешная стратегия состоит в том, чтобы исследовать свет звезды, когда планета находится позади неё, а затем исследовать их смешанный свет, когда экзопланета находится перед звездой. Вычитание первого из второго даёт совокупность частот излучения экзопланеты, которую мы называем её спектром.

Вторая сложность заключается в определении характерных следов конкретных молекул, которые находятся в спектре экзопланеты. Как отмечалось выше, каждый химический элемент и молекула обладают уникальным световым «отпечатком». Но чаще всего уникальная характеристика света, которая идентифицирует биомаркер, составляет лишь очень небольшую часть общего спектра экзопланеты. Это означает, что нам нужно собрать много света от экзопланеты, для чего обычно требуются большие телескопы.

Третья сложность — самая значительная. Как нам решить, какие биомаркеры действительно доказывают наличие жизни на экзопланете? Как уже обсуждалось выше, жизнь производит или изменяет большинство газов в атмосфере Земли, поэтому поиск таких же газов в атмосферах планет вокруг далеких звёзд, чтобы определить, какие из них демонстрируют наличие жизни, показался бы простым делом. Но, как обычно, всё не так просто.

Проблема состоит в том, что небиологические процессы могут привести к образованию практически любой молекулы, которую мы считаем биомаркером в атмосфере Земли. Возьмём, например, кислород. Ультрафиолетовый свет Солнца разрушает молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут рекомбинировать, образуя молекулярный кислород. Таким образом, хотя значительная часть молекулярного кислорода образуется в результате фотосинтеза, не весь он образуется таким способом. Или взглянем на метан. Как мы уже отмечали выше, его можно получить различными способами, и многие из них не связаны с биологией. То же самое можно сказать и о сероводороде (который обладает характерным запахом тухлого яйца), который вырабатывается серовосстанавливающими бактериями, процветающими в экстремальных условиях на Земле — но также в результате вулканических процессов. Мы могли бы продолжить, но суть ясна: практически для каждой молекулы, которую мы могли бы идентифицировать как потенциальный биомаркер жизни на экзопланете, существует небиологический механизм формирования.

Некоторые учёные подумывают об использовании комбинаций молекул, полученных биологическим путём, для установления присутствия жизни. Возьмём в качестве примера кислород и метан. На Земле концентрация метана нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. И всё же он явно присутствует, потому что биология быстро производит его параллельно кислороду. Если бы мы отключили всю биологию на Земле, наша атмосфера потеряла бы свой метан всего за несколько десятков лет. Кислород сохранялся бы примерно несколько тысяч лет, если бы вся жизнь прекратилась, но он тоже в конечном итоге исчез бы, поскольку включился бы в состав минералов. Таким образом, присутствие и кислорода, и метана вместе может служить биомаркером, даже если присутствие любого из этих газов, взятого отдельно, таковым не будет.

Поиск биомаркеров на экзопланетах, безусловно, значительно сложнее, чем просто поиск газов, образующихся в результате биологических процессов на Земле. В настоящее время это область исследований и дискуссий в сообществе учёных, изучающих экзопланеты. На данный момент суть проблемы, по-видимому, заключается в том, что мы не в состоянии выдвинуть неоспоримое утверждение об обнаружении жизни, взглянув на спектры отдельных атомов и молекул — по крайней мере, тех атомов и молекул, которые мы можем наблюдать в спектрах экзопланет. По-видимому, поиск комбинаций газов, имеющих биологическое происхождение, является наилучшим способом достижения успеха в решении этого вопроса.

Следующий шаг

На данный момент мы установили, что естественный отбор (дарвиновская эволюция) должен действовать, придавая облик жизни практически на любой из открытых нами экзопланет, и мы увидели, как трудно будет найти неопровержимые доказательства того, что такая жизнь действительно присутствует там. Однако давайте пока отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могут работать в невероятном разнообразии природных условий, которые, как мы уже знаем, существуют на экзопланетах. Это то, что мы называем исследованием воображаемой жизни.

В дальнейшем мы представляем каждый новый мир при помощи короткого выдуманного очерка, где описывается, как человек, должным образом защищённый и оснащённый сенсорным оборудованием, может воспринимать окружающую среду, с которой он сталкивается. Мы выбрали этот способ представления планет по одной простой причине: как мы уже неоднократно подчёркивали, земная жизнь — это единственный вид жизни, о котором мы знаем. Таким образом, именно её составной частью являются единственные живые организмы, о реакции которых на новую окружающую среду мы можем догадываться с определённой надеждой на успех.

Держа это в памяти, давайте взглянем на мир, который мы назовём Айсхейм.