Текст книги "Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных"

В 1976 году на поверхность Марса в двух разных ее точках успешно приземлилось два спускаемых модуля миссии Viking. Каждый из них нес на борту оборудование для проведения четырех экспериментов, целью которых был поиск свидетельств существования жизни. Вот список этих экспериментов:

• фиксация и исследование молекулярного состава при помощи газового хроматографа – масс‐спектрометра;

• эксперимент с газообменом: марсианская почва cмешивалась с водой и питательными веществами, и затем отслеживалась вероятная биологическая активность;

• эксперимент с пиролизом: марсианская почва подвергалась воздействию углеродосодержащих газов, а затем нагревалась; далее отслеживались возможные признаки фотосинтеза;

• эксперимент по поиску органических веществ, о котором мы подробно поговорим ниже.

Результаты первых трех экспериментов оказались вполне однозначными: не было обнаружено никаких признаков биологической активности. Фактически, не было зафиксировано присутствия вообще каких бы то ни было органических молекул. Однако все эти эксперименты были разработаны на основе предположения, что жизнь на Марсе должна обладать обменом веществ, сходным с земным. Как мы отмечали в главе 3, это предположение могло оказаться верным, а могло и не оказаться. Кроме того, для экспериментов планировалось брать для анализов образцы только из самых верхних слоев марсианской почвы, не глубже примерно дюйма (2,5 см).

Однако результаты экспериментов по поиску органических веществ привлекли огромное внимание. Споры вокруг них длились еще полвека. Вот в чем эти эксперименты заключались: образец приповерхностной почвы помещался в камеру, куда добавлялась смесь воды и питательных веществ. В молекулах питательных веществ содержалось большое количество атомов углерода-14 (тяжелого изотопа, вместо более распространенного углерода-12). Углерод-14 преимущественно обладает теми же свойствами и вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен, и поэтому его присутствие в любом образце легко зафиксировать. Логика эксперимента была проста: если бы в марсианской почве оказались микробы, они бы усваивали питательные вещества, выделяя при этом радиоактивный диоксид углерода, которая можно было бы отследить в составе газов в камере. И – о, чудо! – оба спускаемых модуля показали присутствие газа, содержащего «помеченный» диоксид углерода.

Увы, восторги по поводу опубликованных результатов эксперимента длились недолго. Когда в камеру были повторно добавлены питательные вещества, на второй и на третий раз никаких следов радиоактивного диоксида углерода зарегистрировано не было. Если бы исходно диоксид углерода появился в камере из‐за метаболизма микроорганизмов, рассуждали ученые, их популяция стала бы увеличиваться и каждый раз, когда в камеру добавляли питательный раствор, должно было бы выделяться все больше газа. И наоборот, если выделение диоксида углерода стало следствием небиологической химической реакции, то реагенты по итогам этой реакции оказались бы израсходованы и на этом реакция закончилась и больше не повторялась. Именно такой исход эксперимента и был зафиксирован. Поэтому и тогда, и сейчас решено было признать, что спускаемые модули Viking не обнаружили однозначных свидетельств жизни на Марсе. Более того, последующие эксперименты показали, какие конкретно химические реакции в марсианской почве и каким именно образом могли привести к выделению «помеченного» диоксида углерода.

На этом, однако, наша история не заканчивается. С самого 1976 года небольшая, но весьма активная группа ученых говорит о том, что данные модулей Viking, если их правильно интерпретировать, фактически зафиксировали наличие микроскопической жизни на Красной планете. Например, на прошедшей в 2016 году крупной конференции NASA по вопросам внеземной жизни почти все время, отведенное на вопросы и ответы после одной из презентаций, оказалось потрачено на жаркое (порой даже слишком жаркое) обсуждение результатов миссии Viking.

Но надежды на то, что наличие жизни на Марсе все-таки будет подтверждено, поддерживают не только результаты исследований аппаратов Viking. Еще в 1971 году космический аппарат Mariner 9, вращаясь по орбите вокруг Марса, отправил на Землю фотографии марсианской поверхности, которые поразили весь мир сходством с земными речными сетями. С тех пор много раз отправлявшиеся к Марсу орбитальные и спускаемые космические аппараты фиксировали неопровержимые свидетельства того, что по поверхности этой планеты когда‐то текла вода, а в ранней истории Марса в его северном полушарии располагался океан. Так как это происходило примерно в то же время, когда жизнь начинала развиваться на поверхности Земли, мысль о том, что на заре марсианской истории на нем тоже могла цвести жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь исчезла, когда планета лишилась своих океанов и атмосферы, говорили сторонники этой теории, мы сможем отыскать ее ископаемые останки.

Но у Марса есть одна характеристика, которая заставляет ученых относиться скептически к вере в то, что следы когда‐либо существовавшей на нем жизни могли сохраниться до наших дней в виде органических молекул. Так как Марс не имеет магнитного поля, его поверхность непрерывно подвергается интенсивному излучению Солнца. В результате образуются высокие концентрации перекиси водорода (H₂O₂), мощного дезинфицирующего средства. Таким образом, марсианская поверхность, по мнению ученых, фактически постоянно дезинфицируется, и это разрушает любые органические молекулы, оставшиеся от гипотетических живых организмов прошлого.

Однако в 2018 году марсоход Curiosity обнаружил органические молекулы в камнях, образовавшихся, когда Красную планету все еще покрывали океаны. И хотя эти молекулы, вероятно, не были итогом жизнедеятельности каких‐либо ныне существующих организмов, их присутствие все же дает нам надежду на то, что молекулы, в прошлом входившие в состав живых систем, могли все-таки сохраниться до сегодняшнего дня.

Но все-таки, точно ли на Марсе сейчас нет жизни? Мы ведь исследовали образцы только самого верхнего слоя поверхности планеты, проникнув в ее грунт самое большее на несколько дюймов. Не может ли быть скрыто что‐то важное на большей глубине? Пока марсоход Curiosity медленно пробирался сквозь марсианские теснины, «орбитальный разведчик», Mars Reconnaissance Orbiter, с большой высоты сфотографировал на поверхности Марса следы потоков, темнеющие со сменой времен года. Эти разводы могли быть образованы спонтанными выбросами соленой воды из марсианских недр, хотя ряд ученых в настоящий момент и строят предположения о том, что эти разводы могут быть образованы перемещением масс песка, а не воды. В дополнение к предыдущим снимкам, в 2018 году, анализируя данные, полученные с орбитального модуля Mars Express Orbiter, ученые предположили, что озеро жидкой воды может располагаться прямо под северным полюсом планеты. А если под поверхностью Марса существует запас жидкой воды, вполне разумно задаться вопросом, не может ли в этой воде существовать и микроскопическая жизнь? Это еще одна вероятность, которую следует рассмотреть.

Кроме всего прочего, на Марсе был обнаружен метан. Молекула метана проста: один атом углерода на четыре атома водорода. У нас на Земле метан – природный газ, с помощью которого мы обогреваем дома и получаем электричество. В малых количествах он содержится и в земной атмосфере: чуть больше 1800 частей на 1 000 000 000 (т. е., примерно 0.00018 процента). Около 95 процентов земного метана производится вследствие жизнедеятельности микробов, но он может выделяться и в результате небиологических процессов: например, при взаимодействии грунтовых вод с магмой в кратерах вулканов или – с намного меньшей скоростью – при превращении окиси железа (ржавчины) в некоторые другие виды минералов.

В 2003 году при помощи наземных телескопов астрономы зарегистрировали наличие метана в марсианской атмосфере, пользуясь методами спектроскопии – мы расскажем о них немного позже. Метана оказалось совсем немного – всего 10 частей на 1 000 000 000 по объему, гораздо меньше, чем на Земле, – но мы можем быть уверены, что он там есть. Потом, когда в конце 2013 – начале 2014 года марсоход Curiosity путешествовал по поверхности Марса, произошло нечто необъяснимое: количество метана в атмосфере внезапно увеличилось в 10 раз, а пару месяцев спустя – упало до прежнего уровня.

Чем могло быть вызвано это странное событие (ученые окрестили его «метановым всплеском»)? Это мог быть выброс в атмосферу метанового пузыря, возникшего вследствие обычных небиологических реакций. Но равновероятно и что метановый всплеск стал результатом резкого роста популяции подповерхностных микробов. Так что, хотя само наличие метана – факт, над которым стоит задуматься, оно определенно не является доказательством существования жизни в недрах Марса. Еще один намек, еще одно разочарование.

Аллан-Хиллс – богом забытая группа холмов в Антарктике примерно в 200 километрах к югу от главной американской антарктической базы в заливе Мак-Мердо. Оказавшись там, вы не увидите ровным счетом ничего, кроме бескрайних ледяных плато и ледников, медленно наползающих на гряду низких холмов. Большинство людей реагирует на здешние края на удивление одинаково: зачем кому‐то может прийти в голову мысль сюда тащиться? Ответ на этот вопрос столь же удивительно прост – за метеоритами.

Здесь следует кое‐что пояснить. Когда метеорит падает на поверхность ледника в районе Аллан-Хиллс, он уходит глубоко в лед. Перемещаясь, ледник тащит метеорит за собой. Когда ледник начинает карабкаться на пологие склоны холмов, ветра сдувают все с ледяной поверхности (этот процесс называется абляцией), и метеорит оказывается на виду. Ледяное поле, таким образом, служит чем‐то вроде конвейера, который захватывает метеориты и доставляет их на поверхность горного хребта.

В 1984 году ученые, проезжая на снегоходе по поверхности ледника, обнаружили здесь метеорит. Он выглядел не слишком впечатляюще – размером с грейпфрут и весом примерно 1,8 кг. Он был покрыт черной коркой, которая появляется, когда метеориты, раскаляясь, летят сквозь атмосферу Земли. Метеорит получил обозначение ALH 84001: ALH означало «Аллан‐Хиллс», номер 84001 – что это первый метеорит, найденный в 1984 году. Затем в лаборатории его положили в ящик и забыли о нем почти на десятилетие.

Однако, когда в середине 1990‐х его в конце концов достали и подвергли анализу, он оказался настоящим сокровищем. Во‐первых, пузырьки газа, сохранившиеся в его толще, по химическому составу оказались идентичны атмосфере Марса – судя по всему, метеорит образовался именно там. В самом этом факте не было ничего особенно необычного – ученые обнаружили уже больше сотни обломков камня, выброшенных с марсианской поверхности ударами астероидов и долетевших до Земли. Внимание исследователей привлек возраст ALH 84001. Радиометрическое датирование показало, что камень образовался примерно 4 000 000 000 лет назад, когда на Марсе было довольно много воды. Около 17 000 000 лет назад он был выброшен с Марса ударом метеорита и путешествовал вокруг Солнца, пока примерно 13 000 лет назад не оказался наконец в Антарктике. Иначе говоря, ALH 84001 образовался на Марсе именно в ту эпоху, когда там могла существовать жизнь. Он – молчаливый свидетель той поры, когда наш космический сосед был очень похож на Землю.

И вот в 1996 году группа ученых из NASA под руководством астронома Дэвида Маккея (1936–2013) сделала потрясающее заявление. Изучив ALH 84001, они пришли к выводу, что метеорит содержит окаменевшие останки живых существ, некогда обитавших на Марсе. Их заявление основывалось на четырех сделанных ими открытиях:

• наличие в составе метеорита органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ);

• физическое сходство между минеральными структурами метеорита и окаменевшими останками земных микробов;

• сходство между комбинациями минералов в метеорите и теми, которые образуют земные бактерии;

• присутствие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, похожих на те, которые входят в состав некоторых земных микробов.

Трудно подобрать слова, чтобы описать, какое впечатление произвело это заявление на научный мир и на общество в целом. В Белом доме им заинтересовался тогдашний президент США Билл Клинтон, что, вероятно, повлияло на создание в NASA программы астробиологии, успешно дожившей до наших дней. Но с течением времени у группы Маккей появились и неизбежные оппоненты.

Они заявляли, например, что молекулы ПАУ распространены во Вселенной повсеместно. Эти молекулы были обнаружены в составе комет и даже в межзвездном пространстве, где никакой жизни нет и в помине. Что же до физического сходства «окаменелостей» с земными – было отмечено, что некоторые известные нам земные минеральные образования небиологического происхождения по форме очень напоминают клетки. Вдобавок найденные в метеорите «биологические структуры» были примерно в сотню раз меньше тех, что существуют в любых известных земных клетках. Теоретически они могли бы быть примерами новой разновидности живых организмов, нанобактерий – теоретически возможных, но никогда прежде не встречавшихся в природе. Наконец, было сделано предположение, что некоторые из минеральных комбинаций, найденных авторами открытия, возникли в результате манипуляций, совершавшихся при препарировании образцов метеорита для исследования под электронным микроскопом.

Некоторое время главным доводом в пользу гипотезы о марсианском происхождении «окаменелостей» оставались магнетитовые цепочки. В составе земных бактерий эти цепочки выполняют роль компаса и помогают по направлению магнитного поля отличать верх от низа в мутной воде. Поскольку на Марсе на ранних стадиях его истории могло существовать магнитное поле (сейчас его нет), наличие в составе бактерий подобных цепочек могло бы иметь смысл и на Красной планете. Однако ученые доказали, что магнетитовые кристаллы, подобные обнаруженным в составе в ALH84001, могли возникнуть в ходе небиологических процессов, а именно при прохождении метеорита сквозь атмосферу Земли до столкновения с ее поверхностью.

Итак, мы снова встретились с доказательствами сомнительными и неоднозначными. Структуры, обнаруженные в составе ALH84001, могли равно быть и марсианскими окаменелостями, и результатом небиологических процессов. И снова мы ничего не можем сказать о наличии – в настоящем или хотя бы в прошлом – жизни на планете, которую исследовали со всей возможной тщательностью. Как же, скажите на милость, мы собираемся искать жизнь на далеких и недоступных экзопланетах?

На заре XIX столетия французский философ Огюст Конт (1798–1857), основатель науки, которую он называл социальной физикой, а мы – социологией, составил список загадок науки, которые никогда не будут решены. Одним из важнейших пунктов этого списка было исследование химического состава звезд.

Конт рассуждал просто. В то время единственной возможностью определить химический состав любого вещества был анализ этого вещества в химической лаборатории. Конт говорил: поскольку мы никогда не сможем положить на лабораторный стол кусочек «звездного вещества», нам никогда не удастся узнать, из чего сделаны звезды. Легко можно представить себе, что он сказал бы об экзопланетах: поскольку долететь до них мы не можем, их химического состава мы также никогда не узнаем.

Однако в 1859 году пара немецких ученых – оба они были известны достижениями в совсем других областях – встретились в лаборатории в Гейдельберге и полностью перевернули наши представления о способах исследования Вселенной. Густав Кирхгоф (1824–1877) известен в первую очередь студентам‐физикам как автор алгоритмов анализа сложных электрических цепей. А Роберт Бунзен (1811–1899) изобрел газовую горелку Бунзена, устройство, необходимое в любой химической лаборатории. Вместе они провели серию экспериментов, в ходе которых свет от нагретого образца какого‐либо чистого вещества пропускался сквозь стеклянную призму и разлагался на отдельные цвета. Вместо непрерывного спектра (наподобие радуги), который они надеялись получить, они обнаружили, что каждый химический элемент дает характерный именно для него, уникальный и четко определенный ряд цветов. Это сочетание цветов мы сейчас называем эмиссионным спектром. Кроме того, существует аналогичного типа спектр поглощения, связанный с поглощением фотонами определенных энергий. Область науки, посвященная изучению таких спектров, называется спектроскопией.

На самом деле вам прекрасно известно из практики, что разные химические элементы излучают свет разных цветов. Вы ведь замечали, что некоторые уличные фонари дают желтоватый свет? Это натриевые лампы, их часто используют в туманных местностях – в таких условиях их свет виден лучше.

Поскольку каждый химический элемент излучает определенный набор цветов, то, наблюдая этот оптический «отпечаток пальцев» в свете, исходящем из любого источника, мы можем уверенно заявлять, что в составе этого источника света присутствует соответствующий химический элемент. Отдельным важным свойством этого способа исследования – спектроскопического анализа – является то, что совершенно неважно, насколько далеко находится источник света от его приемника – в нескольких сантиметрах или в миллиардах световых лет. Если уж спектроскопический «отпечаток пальцев» возник, он останется в световом пучке навсегда.

Забавный комментарий в сторону: современный спектроскоп может быть оборудован встроенным компьютером и стоить несколько тысяч (или даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен же собрали свой первый спектроскоп из пары старых стекол от очков и (можете нам не верить, но это факт) коробки из‐под сигар.

Только в начале XX века ученые, создавшие новую научную дисциплину, квантовую механику, смогли наконец понять, как именно атомы создают соответствующие им спектры. В этом им помогла ими же составленная упрощенная схема атома: в отличие от вращающихся вокруг Солнца планет, электроны в атоме не могут располагаться на произвольных орбитах. Они могут находиться только на определенных расстояниях от ядер – на так называемых разрешенных орбитах, или орбиталях. Каждая из этих орбит соответствует некоторой конкретной энергии, так что, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, атом испускает или поглощает определенное количество излучения, соответствующего разности их энергий. Излучение испускается, если электрон движется по направлению к ядру и поглощается, если электрон движется от ядра. Так как атомы различных химических элементов имеют уникальные наборы орбиталей, каждый химический элемент поглощает и испускает уникальный набор цветов излучения. Так и образуются спектры.

Однако не только атомы излучают спектры. Любая система, в составе которой присутствуют различные энергетические уровни, может создавать характерный «отпечаток пальцев». Сложные молекулы, например, способны вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждое из этих состояний дает характерный спектр. Таким образом, спектроскопия дает нам идеальный способ для поиска молекул, характерных для живых систем на далеких экзопланетах. Нам нужно просто отыскать в спектрах экзопланет признаки присутствия биологических молекул, и мы получим однозначное свидетельство существования там жизни.

Возьмем, например, Землю: наличие на планете жизни оказывает огромное влияние на химический состав ее атмосферы. Фактически, из многих сотен известных атмосферных газов лишь немногие не подверглись влиянию живых существ. Гелий, например, составляющий около одного процента состава атмосферы, возник еще в ходе Большого взрыва. Аргон присутствует на Земле в еще меньших количествах – он образуется при радиоактивном распаде калия в глубине земных недр. Прочие же атмосферные газы образуются, разрушаются или изменяют свой состав под воздействием биологических факторов.

Кислород, которым мы дышим, получается вследствие фотосинтеза; растения при участии солнечного света преобразуют воду и диоксид углерода в углеводороды. Солнечный ультрафиолет разрушает продуцируемый растениями молекулярный кислород – пару атомов кислорода, крепко связанных друг с другом, – на отдельные атомы, а те, реагируя с молекулярным кислородом, образуют озон (O₃). Во время процессов дыхания и разложения организмов образуется диоксид углерода, иначе называемый углекислым газом, – происходит процесс, обратный фотосинтезу. Ряд газов, например сероводород, является продуктом жизнедеятельности сине‐зеленых водорослей. Определенные виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. В составе земной атмосферы видимо‐невидимо следов наличия жизни на ней. Мы называем эти следы биологического происхождения химическими маркерами или биологическими признаками наличия жизни на Земле.

Можно подумать, что было бы несложно, пользуясь спектроскопическими методами, поискать подобные химические вещества в атмосферах экзопланет и по их наличию определить, есть ли там жизнь. Но на этом пути нас ожидает целых три проблемы.

Первая из них заключается в том, что экзопланеты – невероятно слабые источники света. Мы можем наблюдать их лишь потому, что они отражают свет своих материнских звезд. Увидеть отраженный планетой свет на тех расстояниях, которые отделяют нас даже от ближайших к нашей системе звезд, фантастически трудно. Тем не менее в последние годы астрономы сумели исследовать излучение многих экзопланет, используя высокочувствительные приемники и сложные методы наблюдений. Наилучшие результаты дал следующий способ: сначала мы измеряем характеристики света материнской звезды, когда планета полностью скрывается за ней, а затем измеряем их суммарное излучение, когда экзопланета находится перед своей звездой. После чего вычитаем первое измерение из последнего и получаем характеристики, описывающие свет самой экзопланеты, – ее спектр.

Вторая проблема – распознать маркеры наличия конкретных молекул в спектре экзопланеты. Как уже было сказано, каждый элемент и каждая молекула имеет уникальный световой «отпечаток». Но чаще всего уникальная часть спектра, по которой идентифицируется тот или иной биомаркер, составляет крайне малую часть общего спектра экзопланеты. Это значит, что нам необходимо получить от экзопланеты как можно больше света, для чего обычно требуются гигантские телескопы.

Третья проблема сложнее двух предыдущих. Как нам понять, какие именно биомаркеры действительно будут свидетельством того, что на экзопланете есть жизнь? Как мы уже говорили, большинство газов в земной атмосфере возникает или изменяется под воздействием живых организмов. Казалось бы, чтобы обнаружить признаки жизни в атмосферах планет, вращающихся вокруг далеких звезд, надо просто поискать в этих атмосферах такие же газы. Но это, опять‐таки, далеко не так просто, как кажется.

Проблема в том, что практически каждая молекула в атмосфере Земли, которую мы считаем биомаркером, может возникнуть и в ходе небиологических процессов. Возьмем, например, кислород. Ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут заново соединяться друг с другом, образуя молекулярный кислород. Поэтому хотя почти весь молекулярный кислород в атмосфере образуется в результате фотосинтеза – но все же не весь. Или, например, метан. Как мы уже говорили, образование метана может происходить множеством способов, и большинство из них не имеет отношения к биологии. То же самое можно сказать и о сероводороде (имеющем характерный запах тухлого яйца): он образуется в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий, обитающих на Земле в экстремальных условиях, – но кроме того, он выделяется при различных вулканических процессах. Этот список можно было бы продолжить, но наша мысль уже должна быть понятна: почти у каждой молекулы, которую мы могли бы счесть потенциальным биомаркером, свидетельством наличия жизни на экзопланете, помимо биологического существует и небиологический механизм образования.

Некоторые ученые предлагают использовать для поисков жизни комбинации молекул биологического происхождения. Возьмем для примера кислород и метан. Концентрация метана на Земле нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. Но он там очевидным образом присутствует, так как легко образуется в ходе биологических процессов наравне с кислородом. Если бы мы могли «выключить» всю жизнедеятельность на Земле, метан исчез бы из ее атмосферы всего за насколько десятков лет. Кислород, если бы вся жизнь на Земле исчезла, продержался бы дольше, целых несколько тысячелетий, но тоже в конце концов исчез бы, поглощенный различными минералами в ходе процесса окисления. Таким образом, одновременное присутствие кислорода и метана могло бы служить биомаркером, даже несмотря на то, что по отдельности наличие этих газов ничего нам не дает.

Находить биомаркеры на экзопланетах, конечно, гораздо труднее, чем просто искать газы, возникающие в ходе биологических процессов на Земле. Это активно развивающаяся область исследований и предмет постоянных дискуссий среди исследователей экзопланет. Промежуточный итог этих дебатов на сегодняшний день выглядит так: мы не можем с полной уверенностью говорить о том, что обнаружили признаки жизни на экзопланете на основе наличия в ее атмосфере спектральных линий отдельных атомов и молекул – по крайней мере не на основе тех атомов и молекул, которые мы на настоящий момент там реально наблюдаем. По‐видимому, наиболее перспективный путь подобных поисков – поиск сочетаний газов биологического происхождения.