Это жизнь или просто химия? Ученые нашли новый способ отличать живое от неживого в космосе

Мечта человечества о встрече с братьями по разуму или хотя бы обнаружении признаков жизни за пределами Земли стара как мир. И если раньше это была область фантастов, то сегодня, с появлением сверхмощных инструментов вроде космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), она перешла в плоскость строгой науки. Но вот незадача: как отличить планету, кишащую микробами или даже покрытую городами, от безжизненного камня, если всё, что у нас есть, — это слабый свет, прошедший через её атмосферу? Оказывается, просто найти «знакомый» газ — это только полдела.

А есть ли жизнь на Марсе? Старый вопрос — новые сложности

Представьте, что инопланетные астрономы направили свои телескопы на Землю. Что бы они искали? Скорее всего, кислород. Ведь именно этот газ в нашей атмосфере — побочный продукт фотосинтеза, глобального процесса, которым заняты земные растения и некоторые бактерии. Логично? Вполне. Вот только такая прямолинейность может сыграть злую шутку, когда мы сами смотрим на далекие экзопланеты.

Долгое время считалось, что обнаружение определённых газов, таких как кислород или метан, может служить «дымящимся пистолетом» — неопровержимым доказательством наличия жизни. Метан, например, на Земле активно производят живые организмы, от коров до микробов-метаногенов в болотах. Однако, как справедливо отмечают ученые, метан может образовываться и в результате чисто геологических процессов — скажем, при взаимодействии воды с определенными породами (процесс серпентинизации). И вот уже картинка становится не такой однозначной. Нашли метан? Поздравляем, вы нашли… либо жизнь, либо интересную геологию. А может, и то, и другое вместе!

Так что же, кислород — это «золотой стандарт»? Не совсем. Хотя на Земле он связан с жизнью, на других планетах с иными химическими условиями и геологической историей кислород теоретически может накапливаться и без участия живых существ, например, при интенсивном ультрафиолетовом излучении звезды, расщепляющем воду. Получается, поиск одиночных «маркеров жизни» — это как пытаться судить о вкусе сложного блюда по одному-единственному ингредиенту. Можно, но рискуешь сильно ошибиться.

Один в поле не воин: почему отдельные газы — не панацея

Проблема с поиском «волшебной молекулы», которая бы кричала «Жизнь здесь!», заключается в том, что природа, как земная, так и инопланетная, куда изобретательнее наших упрощенных моделей. Это подтолкнуло исследователей, таких как Тереза Фишер, Эстель Жанин и Сара Имари Уокер, к разработке более тонкого подхода. Их идея проста и элегантна: вместо того чтобы охотиться за отдельными «солистами», нужно слушать весь «химический оркестр» атмосферы.

Они предлагают анализировать так называемые сети химических реакций (СХР). Что это такое? Представьте себе сложную паутину, где узлы — это различные химические соединения в атмосфере, а нити — реакции, которые превращают одни вещества в другие. Анализируя структуру этой сети, её динамику и взаимосвязи между компонентами, можно получить гораздо больше информации, чем просто констатируя наличие или отсутствие какого-то одного газа.

По сути, это попытка понять, как работает вся «кухня» планетарной атмосферы. Какие процессы там доминируют? Есть ли какие-то необычные реакции, которые трудно объяснить без вмешательства живых организмов или даже технологий?

Сетевой детектив: разбираем атмосферу по полочкам

Как же это работает на практике? Ученые смоделировали около 30 000 различных вариантов атмосфер, похожих на земные, но на разных этапах её эволюции.

1. «Архейская Земля»: Это модели планет, напоминающих нашу Землю 2-4 миллиарда лет назад. Тогда кислорода в атмосфере почти не было, зато хватало метана и аммиака. Океан покрывал большую часть поверхности, а жизнь была представлена в основном примитивными бактериальными колониями. Такие условия вполне могут существовать на некоторых экзопланетах, и они могут быть домом для простейших форм жизни.
2. «Современная Земля»: Здесь моделировались атмосферы, близкие к нашей нынешней — азотно-кислородной, но с добавлением «техносигнатур». В качестве таковой был выбран хлорфторуглерод CFC-12 — газ, который на Земле производился промышленностью (и от которого мы сейчас активно отказываемся из-за его разрушительного влияния на озоновый слой). Его присутствие в атмосфере другой планеты почти наверняка указывало бы на наличие технологически развитой цивилизации.

Исследователи проанализировали сетевые свойства этих смоделированных атмосфер. И вот что интересно: оказалось, что сетевой анализ способен различать атмосферы с биологическими источниками газов, абиотическими (небиологическими) и даже аномальными, происхождение которых неясно. Например, он может помочь отличить метан, произведенный микробами, от метана геологического происхождения. Более того, этот подход позволил четко отделить атмосферы с CFC-12 от тех, где его не было, что важно для поиска техносигнатур.

Когда молчание — тоже ответ: сила исключения

Одно из самых сильных преимуществ сетевого подхода — это не только способность находить потенциальные признаки жизни, но и уверенно исключать биологические объяснения для тех или иных атмосферных явлений. Используя методы статистического анализа (например, байесовский анализ), ученые могут с большей долей вероятности сказать: «Да, здесь есть метан, но структура химических реакций в атмосфере такова, что он, скорее всего, имеет небиологическое происхождение». Это невероятно важно, чтобы не гоняться за призраками и не делать поспешных выводов о внеземной жизни.

Более того, такой подход может помочь нам обнаружить «жизнь, какой мы её не знаем». Ведь мы привыкли искать аналоги земной биохимии. А что если на другой планете жизнь основана на совершенно иных химических принципах? Сетевой анализ, фокусируясь на общих закономерностях и аномалиях в химических взаимодействиях, может выявить следы такой «чужой» жизни, даже если она не производит привычный нам кислород или метан. Он может указать на сложные, самоподдерживающиеся химические процессы, которые трудно объяснить без участия какого-то аналога метаболизма.

Заглядывая за горизонт привычного

Так что же это означает для будущего поиска жизни во Вселенной? Подход, основанный на анализе сетей химических реакций, — это не просто очередная методика. Это смена парадигмы. Вместо поиска отдельных «кирпичиков» мы начинаем видеть всю «архитектуру» планетарной атмосферы.

Это особенно актуально для данных, которые мы получаем и будем получать от телескопа Джеймса Уэбба и будущих обсерваторий. Они способны предоставить беспрецедентно детальную информацию о составе атмосфер экзопланет. И чтобы не утонуть в этом море данных, нужны мощные аналитические инструменты, способные выявлять сложные закономерности.

Сетевой анализ может:

• Различать биологические и небиологические источники газов.
• Идентифицировать техносигнатуры, указывающие на деятельность цивилизаций.
• Помогать понять, имеем ли мы дело с жизнью, похожей на земную, или с чем-то совершенно иным.
• И, что не менее важно, отсеивать ложные сигналы, повышая надежность наших выводов.

Конечно, это не волшебная палочка. Для построения точных моделей СХР нужны детальные данные и глубокое понимание фундаментальной химии. Но это направление исследований открывает захватывающие перспективы. Возможно, именно разгадка сложных химических «танцев» в атмосферах далеких миров и приведет нас к ответу на вечный вопрос: одни ли мы во Вселенной? И ответ этот может оказаться куда более многогранным, чем мы можем себе представить.