У нас есть только один пример формирования биологии во Вселенной — жизнь на Земле. Но что, если жизнь может формироваться и другими способами? Как искать инопланетную жизнь, если вы не знаете, как она может выглядеть? Эти вопросы волнуют астробиологов — ученых, которые ищут жизнь за пределами Земли.
Минералы — пример неживой системы, которая за миллиарды лет стала более разнообразной и сложной.
Астробиологи пытаются выработать универсальные правила, которые управляют возникновением сложных физических и биологических систем как на Земле, так и за ее пределами.
Обнаружение жизни за пределами Земли
С момента первого открытия экзопланеты в 1995 году было обнаружено более 5000 экзопланет, или планет, вращающихся вокруг других звезд. Многие из этих экзопланет небольшие и каменистые, как Земля, и находятся в пригодных для жизни зонах. 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.
Обнаруженная на данный момент выборка экзопланет позволяет предположить, что в нашей галактике существует 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, определить жизнь 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 исчерпывающее определение невозможно.
NASA 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 находятся на большом расстоянии от нас и светятся в сотни миллионов раз слабее своих родительских звезд, поэтому их изучение сопряжено с большими трудностями. 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 NASA, приводит к некоторым важным, но не имеющим ответа вопросам. Является ли дарвиновская эволюция универсальной? Какие химические реакции могут привести к появлению биологии за пределами Земли?
Эволюция и сложность
Все живое на Земле, от грибковой споры до синего кита, произошло от последнего общего предка микроорганизмов, жившего 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 вне Земли 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 некоторым 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 своего рода 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 тому, что геном будет становиться сложнее, поскольку в нем будет храниться 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. Плотность эволюционной 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 до сих пор не найдена. Такая теория будет включать в себя понятия сложности и хранения информации, но не будет привязана к ДНК или конкретным видам клеток, которые мы находим в земной биологии.
Последствия для поиска внеземной жизни
Циклические структуры характеризуют диссипативные системы, которые достигают неравновесных устойчивых состояний под действием внешних факторов. В абиотической системе, такой как клетка Бенара (a), градиент температуры приводит к образованию ячеек, которые переносят тепло путем циклической конвекции. В живых системах химическая энергия приводит в движение метаболические циклы, такие как цикл лимонной кислоты (b), который играет важнейшую роль в производстве энергии и биосинтезе. На рисунке указаны как промежуточные метаболиты цикла, так и ферменты.
Исследователи изучили альтернативы земной биохимии. Все известные живые организмы, от бактерий до человека, содержат воду, и она является растворителем, необходимым для жизни на Земле. Растворитель — это жидкая среда, способствующая химическим реакциям, в результате которых может возникнуть жизнь. Но потенциально жизнь может возникнуть и в других растворителях.
Астробиологи Уиллам Бейнс и Сара Сигер изучили тысячи молекул, которые могут быть связаны с жизнью. Среди возможных растворителей — серная кислота, аммиак, жидкий углекислый газ и даже жидкая сера.
Инопланетная жизнь может не основываться на углероде, который является основой всех основных молекул жизни — 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 заключается в измерении минеральных сигнатур на скалистых поверхностях экзопланет, поскольку разнообразие минералов отражает биологическую эволюцию на Земле. Когда жизнь развивалась на Земле, она использовала и создавала минералы для экзоскелетов и среды обитания. Из сотни минералов, существовавших на момент зарождения жизни, сегодня создано около 5 000.
Например, цирконы — простые силикатные кристаллы, которые относятся ко времени, предшествующему зарождению жизни. Циркон, найденный в Австралии, — самый старый из известных фрагментов земной коры. 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, например искусственного освещения или промышленного загрязнителя диоксида азота в атмосфере. Это примеры следов разумной жизни, называемые техносигнатурами.
Пока неясно, как и когда произойдет первое обнаружение жизни за пределами Земли. Возможно, это произойдет в пределах Солнечной системы, или при исследовании атмосфер экзопланет, или при обнаружении искусственных радиосигналов от далекой цивилизации.
Читать далее →
Свежие комментарии