Кто наследил?
Разбираемся, что такое биомаркеры, как их ищут, и что они могут значить
В атмосфере Венеры найден фосфин — газ, молекулы которого состоят из атомов фосфора и водорода. Его очень мало — несколько десятков молекул на миллиард, но это находка заставляет ученых пересматривать программы исследования Солнечной системы, поскольку это вещество входит в список потенциальных биомаркеров, соединений, указывающих на возможность присутствия жизни. Выясняем, откуда берутся биомаркеры, как их ищут и анализируют.
Что считать следами?
Иногда для того, чтобы найти жизнь, достаточно открыть глаза: и вот они, перед вами, растения и животные планеты Земля, питаются, дышат и размножаются. Но даже на нашей планете это задача не всегда решается так легко. Можно ли с первого взгляда определить, есть ли что-то живое на антарктическом леднике? Или в каменистой пустыне? Или у края жерла вулкана? Убедиться, что в таких местах есть бактерии или микроорганизмы, нельзя без специального оборудования. Кроме того, микробы совсем не обязаны ждать исследователя на видимой поверхности — они могут прятаться глубоко в толще грунта или льда, перемещаться в верхних слоях атмосферы. Почти невозможно в поисках живого планомерно обшаривать все пространство вокруг себя.
Задача становится практически нерешаемой, если речь идет о поисках микроорганизмов на других планетах. Даже отправка беспилотных зондов тут не очень поможет: представьте себе, что автоматическая станция определила, что в радиусе сотни метров нет ничего живого. Но что если жизнь прячется за сто первым метром? Или под поверхностью? В начале XX века астрономы и планетологи еще рассчитывали найти на других планетах макроскопические живые организмы. В частности, создатель термина «астробиология», советский астроном Гавриил Тихов пытался найти на Марсе и Венере растения, наблюдая за планетами в телескоп. Но после полетов «Венер» и «Викингов» стало понятно, что искать имеет смысл только микроорганизмы.
После первой неудачной попытки найти следы марсианских микробов напрямую в экспериментах на борту посадочных аппаратов «Викинг», NASA отказалось от попыток найти живое на Марсе напрямую и приняло стратегию «следуй за водой», суть которой — сначала найти среду, пригодную для жизни сейчас или в прошлом, а уже потом пытаться обнаружить там жизнь. Но что делать, если у вас нет возможности отправить посадочный зонд? Можно ли, например, определить, есть ли жизнь на экзопланетах? Единственный вариант — искать не микроорганизмы, а молекулы веществ-биомаркеров.
На эту роль подходят далеко не все вещества, требования к ним достаточно жесткие. Во-первых, у ученых должна быть возможность заметить их издалека. Во-вторых, они должны появляться только в результате активности живых существ, но при этом встречаться не только внутри самих организмов.
Один из биомаркеров — кислород. Его «выдыхают» фотосинтезирующие бактерии и растениями, он распространяется до самых верхних слоев атмосферы. При этом без участия живого его концентрация рано или поздно сошла бы на нет в результате окисления горных пород. Если на планете есть много кислорода, то его почти наверняка синтезировал кто-то живой — так как все не-биологические процессы синтеза кислорода не могут компенсировать потери на окисление.
Другой пример — озон. Этот газ образуется из кислорода, но в отличие от него, намного лучше заметен из космоса: он прекрасно поглощает ультрафиолет и хорошо заметен в телескоп, работающий в ультрафиолетовом диапазоне. Для инопланетных астробиологов наличие этого слоя означало бы присутствие жизни.
Однако даже при наличии биомаркера ученым еще нужно доказать, что он ни в каких условиях не мог появиться без участия жизни. Например, уже давно в атмосфере Марса находят метан, главным источником которого на Земле являются именно живые организмы, но пока никто уверенно не может связать его ни с жизнью, ни с химическими процессами. Наоборот, на спутнике Сатурна Титане метана больше, чем в любом из известных месторождений Земли — но это не говорит о его обитаемости, поскольку он находится очень далеко от Солнца, и углеводороды могут сохраняться там, как и на Ультиме Туле, Плутоне и других окраинных мирах Солнечной системы).
Коротко говоря, биомаркер — это не табличка «тут живое», а сигнал, который имеет смысл только в контексте — важно окружение, время и, разумеется, концентрация. Часто биохимиков также интересует изотопное соотношение (живые организмы не все изотопы одинаково хорошо встраивают в свои клетки) и хиральность молекул — мало-мальски сложная органика бывает «левой» и «правой», подобно перчаткам. И, к примеру, сахара у нас как правило «правые», а аминокислоты — «левые». Например, аминокислоту рибозу находили и в метеоритах, но по соотношению изотопов и оптическим изомерам она была признана абиогенной.
Но главное преимущество методов, связанных с биомаркерами, — это возможность искать и исследовать их дистанционно. Для этого достаточно иметь мощный телескоп и спектрометр. Разные вещества по-разному пропускают, отражают и поглощают излучение, что видно по спектру. Зная, как вещество взаимодействует с излучением, можно определить его состав: в случае с атмосферой планеты для этого подойдёт, например, прошедший через газовую оболочку или отразившийся от нее свет.
Именно это и сделали ученые, обнаружившие на Венере потенциальный биомаркер — фосфин.
Что нашли на Венере и нашли ли?
При помощи двух радиотелескопов, способных работать в миллиметровом диапазоне, ALMA и телескопа Джеймса Максвелла, ученые обнаружили в венерианской атмосфере линии поглощения на длине волны 1,123 миллиметра. А фосфин PH3 как раз обладают подобным свойством: энергия радиоволн с такой длиной волны соответствует переходу молекул с одного энергетического уровня на другой.