Инопланетная жизнь может быть совсем не похожа на жизнь на Земле — так как же нам ее искать?

Я астроном, который много писал об астробиологии. Благодаря своим исследованиям я узнал, что наиболее распространенной формой внеземной жизни, скорее всего, являются микроорганизмы, поскольку отдельные клетки могут образовываться быстрее, чем крупные организмы. Но на случай, если там есть развитая инопланетная жизнь, я вхожу в международный консультативный совет группы, разрабатывающей послания для отправки этим цивилизациям.

Обнаружение жизни за пределами Земли

С момента первого открытия экзопланет в 1995 году было обнаружено более 5 000 экзопланет, или планет, вращающихся вокруг других звезд. Многие из этих экзопланет небольшие и каменистые, как Земля, и находятся в пригодных для жизни зонах своих звезд. Пригодная для жизни зона — это диапазон расстояний между поверхностью планеты и звездой, вокруг которой она вращается, позволяющий планете иметь жидкую воду и тем самым поддерживать жизнь, как мы ее знаем на Земле.

Обнаруженные на данный момент экзопланеты представляют собой 300 миллионов потенциальных биологических экспериментов в нашей галактике — или 300 миллионов мест, включая экзопланеты и другие тела, такие как луны, с подходящими условиями для возникновения биологии.

Неопределенность для исследователей начинается с определения жизни. Казалось бы, дать определение жизни должно быть просто, ведь мы узнаем ее, когда видим, будь то летящая птица или микроб, движущийся в капле воды. Но ученые не пришли к единому мнению, а некоторые считают, что всеобъемлющее определение вообще невозможно.

НАСА определяет жизнь как «самоподдерживающуюся химическую реакцию, способную к дарвиновской эволюции». Это означает, что организмы со сложной химической системой развиваются, приспосабливаясь к окружающей среде. Дарвиновская эволюция гласит, что выживание организма зависит от его приспособленности к окружающей среде. За миллиарды лет эволюции жизнь на Земле прошла путь от одноклеточных организмов до крупных животных и других видов, включая человека.

Экзопланеты удалены от Земли и в сотни миллионов раз слабее своих родительских звезд, поэтому их изучение представляет собой сложную задачу. Астрономы могут исследовать атмосферы и поверхности похожих на Землю экзопланет с помощью метода, называемого спектроскопией, в поисках химических признаков жизни.

Спектроскопия может обнаружить в атмосфере планеты признаки кислорода, который микробы, называемые сине-зелеными водорослями, создали в результате фотосинтеза на Земле несколько миллиардов лет назад, или признаки хлорофилла, которые указывают на растительную жизнь. Определение жизни, данное НАСА, приводит к некоторым важным, но не имеющим ответа вопросам. Является ли дарвиновская эволюция универсальной? Какие химические реакции могут привести к возникновению биологии вне Земли?

Эволюция и сложность

Все живое на Земле, от грибковой споры до синего кита, произошло от последнего общего предка микроорганизмов около 4 миллиардов лет назад.

Во всех живых организмах на Земле происходят одни и те же химические процессы, и эти процессы могут быть универсальными. Однако в других местах они могут кардинально отличаться. В октябре 2024 года группа ученых собралась, чтобы нестандартно взглянуть на эволюцию. Они хотели отступить на шаг назад и изучить, какие процессы создают порядок во Вселенной — биологический или нет, — чтобы понять, как изучать возникновение жизни, совершенно не похожей на жизнь на Земле.

Два исследователя утверждали, что сложные системы химических веществ или минералов, попадая в среду, которая позволяет одним конфигурациям сохраняться лучше, чем другим, эволюционируют, чтобы хранить большие объемы информации. Со временем система становится все более разнообразной и сложной, приобретая функции, необходимые для выживания, в результате своеобразного естественного отбора.

Они предположили, что может существовать закон, описывающий эволюцию самых разных физических систем. Биологическая эволюция посредством естественного отбора была бы лишь одним из примеров этого более широкого закона.

В биологии под информацией понимаются инструкции, хранящиеся в последовательности нуклеотидов на молекуле ДНК, которые в совокупности составляют геном организма и диктуют, как он выглядит и как функционирует. Если определять сложность в терминах теории информации, то естественный отбор приведет к усложнению генома, поскольку он будет хранить больше информации об окружающей среде.

Сложность может быть полезна для определения границы между жизнью и нежизнью. Однако неверно делать вывод, что животные сложнее микробов. Биологическая информация увеличивается с размером генома, но плотность эволюционной информации падает. Эволюционная плотность информации — это доля функциональных генов в геноме, или доля общего генетического материала, которая выражает пригодность для окружающей среды.

Организмы, которые люди считают примитивными, например бактерии, имеют геномы с высокой плотностью информации и поэтому кажутся более продуманными, чем геномы растений или животных. Универсальная теория жизни все еще недостижима. Такая теория включала бы в себя понятия сложности и хранения информации, но не была бы привязана к ДНК или конкретным видам клеток, которые мы находим в земной биологии.

Исследователи изучают альтернативы земной биохимии. Все известные живые организмы, от бактерий до человека, содержат воду, и именно она является растворителем, необходимым для жизни на Земле. Растворитель — это жидкая среда, способствующая химическим реакциям, в результате которых может возникнуть жизнь. Но жизнь потенциально может возникнуть и в других растворителях. Астробиологи Уиллам Бейнс и Сара Сигер изучили тысячи молекул, которые могут быть связаны с жизнью. Среди вероятных растворителей — серная кислота, аммиак, жидкий углекислый газ и даже жидкая сера.

Инопланетная жизнь может не основываться на углероде, который является основой всех жизненно важных молекул — по крайней мере, здесь, на Земле. Возможно, им даже не нужна планета для выживания. Продвинутые формы жизни на чужих планетах могут быть настолько странными, что их невозможно распознать. Чтобы обнаружить жизнь за пределами Земли, астробиологам придется проявить изобретательность.

Одна из стратегий — измерение минеральных сигнатур на скалистых поверхностях экзопланет, поскольку разнообразие минералов позволяет проследить биологическую эволюцию на Земле. Когда жизнь развивалась на Земле, она использовала и создавала минералы для экзоскелетов и среды обитания. Сотня минералов, существовавших на момент зарождения жизни, сегодня насчитывает около 5 000.

Например, цирконы — простые силикатные кристаллы, которые относятся ко времени, предшествующему зарождению жизни. Циркон, найденный в Австралии, — самый древний из известных фрагментов земной коры. Но другие минералы, такие как апатит, сложный минерал фосфата кальция, созданы биологией. Апатит является основным компонентом костей, зубов и рыбьей чешуи.

Другая стратегия поиска жизни, не похожей на земную, заключается в обнаружении свидетельств существования цивилизации, таких как искусственное освещение или промышленный загрязнитель диоксид азота в атмосфере. Это примеры следов разумной жизни, называемых техносигнатурами.

Пока неясно, как и когда произойдет первое обнаружение жизни за пределами Земли. Это может произойти в пределах Солнечной системы, или при исследовании атмосфер экзопланет, или при обнаружении искусственных радиосигналов от далекой цивилизации.

Тем не менее, вопросы о том, как искать внеземную жизнь, остаются актуальными, в том числе и теоретическими. Астробиологи работают над разработкой методов, которые помогут расширить нашу зону поиска и адаптировать подходы к открытию жизни, отличной от той, что существует на Земле.

Одним из ключевых направлений исследований является анализ атмосферы экзопланет на предмет «биосигнатур» — химических следов, которые могли бы указывать на наличие жизни. Например, наличие метана в атмосфере может сигнализировать о биохимической активности, поскольку на Земле это соединение часто связано с жизнью. Однако метан может также образовываться в результате небиологических процессов, поэтому его присутствие нужно рассматривать в контексте других факторов.

К тому же, наличие определённых комбинаций газов, таких как кислород и метан в одной атмосфере, могло бы послужить индикатором биологии. Это концепция, называемая «застрявшей обратной связью», когда два газообразных компонента, производимые живыми системами, взаимодействуют, уменьшая возможность их исчезновения и повышая вероятность обнаружения.

Кроме того, разрабатываются гелиопланетарные миссии, направленные на детальное изучение объектов в пределах нашей солнечной системы, таких как спутники Юпитера и Сатурна. Такие как Европа и Энцелад, потенциально обладающие подледными океанами, которые могут содержать необходимые условия для существования жизни. Миссии к этим небесным телам могут не только обнаружить возможные биосигнатуры, но и предоставить возможность вывода о том, как формировалась жизнь в самых разнообразных условиях.

Тем временем, не менее важным является и понимание различных форм жизни, которые могут существовать на других планетах. Возможно, организмы на других планетах могут использовать резко отличающуюся химию, что открывает путь к созданию нового понимания жизни как таковой. Это будущая область изучения, которая может привести к совершенно новым подходам и, возможно, к открытию форм жизни, которые мы даже не можем себе представить.

Таким образом, астробиология стремится не только выявить возможное существование жизни за пределами Земли, но и расширить наши горизонты, предлагая креативные и адаптивные способы поиска, учитывая безграничное многообразие условий, в которых жизнь может развиваться. Эта многогранная задача требует комплексного подхода, объединяющего астрономию, биологию, химию и другие науки. И хотя первое открытие жизни за пределами Земли может занять много времени, усилия и инициативы, подобные тем, что уже предпринимаются, закладывают фундамент для будущих великих открытий, которые могут изменить наши представления о месте человека во Вселенной.