Пошуки життя в нашій Сонячній системі
Брюс Джакоскі
Якщо життя розвивалося незалежно на сусідніх планетах чи супутниках, тоді де ж ці найбільш імовірні місця для пошуку позаземних організмів?
Про автора
Брюс Джакоскі — професор геології, член Лабораторії атмосферної і космічної фізики університету Колорадо в Боулдері. Він також є дослідником експедиції Mars Global Surveyor, космічний зонд якої обертається навколо Марса. Його книжка «Пошуки життя на інших планетах» опублікована в 1998 р. у видавництві Cambridge University Press.
Джерело: Світ Науки, №2 (8) 2001, спецвипуск: Величний Космос, с. 34—39.
Вміщено на Українському астрономічному порталі з дозволу Олександра Завадки, Видавничий Дім «НАУТІЛУС».
ЗВИВИСТІ РУСЛА РІК НА МАРСІ, які простягаються майже на кілометр упоперек та декілька сотень метрів углиб, нагадують дренажні системи на Землі. З’явившись на древній, покритій кратерами території, русла могли утворитися внаслідок атмосферних опадів або підземною водою, що витекла на поверхню. Порівняно із земною дренажною системою марсіанські русла мають нижчу поверхневу густину каналів (тобто її кількість на квадратний кілометр), а це свідчить про те, що в ранні періоди на Марсі води було менше, аніж: на Землі.
Ще зі стародавніх часів людська уява населила життям майже весь Всесвіт. Проте тільки тепер наука розвинулась настільки, що ми можемо зрозуміти сутність життя на Землі та можливість його існування в інших місцях. Сучасні відкриття планетних систем біля інших зір і можливі скам’янілі докази в марсіанських метеоритах мали широкий публічний резонанс. І стан справ у науці про позаземне життя поліпшився протягом останнього десятиліття. Тепер є відчуття того, що ми підходимо до межі відкриття життя на інших планетах.
Щоби шукати життя у Сонячній системі, ми повинні почати із Землі. Оскільки Земля є нашим єдиним прикладом заселеної планети, ми можемо використати її для з’ясування умов, необхідних для виникнення життя деінде. Якщо визначимо ці умови, то мусимо встановити, чи вони є специфічними для Землі, чи достатньо загальними для застосування будь-де.
Наші геологічні дані переконують у тому, що життя на Землі виникло за настання сприятливих умов, коли припинилося бомбардування протопланетами (малі, планетоподібні тіла) нашої планети під кінець її формування. Останній «стерилізуючий Землю» гігантський удар, правдоподібно, відбувся 4,4 або 4,0 мільярди років тому. Скам’янілі мікроскопічні клітини та дані ізотопного аналізу вуглецю свідчать про те, що 3,5 мільярда років тому життя вже було достатньо поширеним, а могло існувати і до 3,85 мільярдів років тому.
З часу зникнення небезпеки для життя минуло не менше 100—200 мільйонів, але не більше півмільярда років, як воно міцно вкоренилося на Землі. Цей короткий період часу вказує на те, що зародження життя відбувалося відносно простим шляхом і стало природним наслідком хемічних реакцій у геологічне активному середовищі. Не менш важливо й те, що це спостереження підказує нам: життя може виникнути таким же чином у будь-якому місці з хемічними та навколишніми умовами, аналогічними до земних.
Рівень знань за останні 40 років засвідчує, що добіологічні органічні молекули утворилися у так званій відновлювальній атмосфері з джерелами енергії, які через світлові імпульси стимулювали хемічні реакції поєднання газових молекул. Новіша теорія пропонує більш складну альтернативу. Під час циркулювання води крізь вулканічні системи на дні океану вона нагрівається до температури понад 400°С. Коли ця перегріта вода повертається в океан, вона може хімічно змінити речовину, полегшуючи утворення органічних молекул. Відновлювальне середовище забезпечує джерело енергії, що допомагає органічним молекулам об’єднатися у більші структури, і підштовхує примітивні метаболічні реакції.
Де виникло життя?
Значимість гідротермальних систем в історії життя проявляється у «дереві життя», складеному з генетичних послідовностей у молекулі ДНК, які несуть генетичну інформацію. Це дерево виростає з відмінностей у послідовностях ДНК, спільних для всіх земних живих організмів. Організми мало еволюціонували від часу їхнього відділення од останнього спільного предка, який мав аналогічні базові послідовності ДНК. Найближчі організми до «кореня», тобто останнього поширеного предка всіх живих організмів, — це гіпертермофіли, які живуть у гарячій воді, з температурою навіть до +115°С. Цей взаємозв’язок вказує на те, що земне життя або «пройшло» крізь гідротермальну систему на деяких ранніх стадіях, або виникло всередині таких систем. У будь-якому випадку, найдавніша історія життя виявляє міцний зв’язок з гідротермальними системами.
Оскільки ми розглядаємо можливість появи життя на інших тілах Сонячної системи, то повинні узагальнити умови, необхідні для виникнення та процвітання життя. Приймаємо, що необхідною є рідка вода, середовище, в якому примітивні організми можуть збирати поживу і виділяти відходи. Хоча інші рідини, наприклад, метан чи аміак, здатні виконувати ці самі функції, вода є набагато поширенішою й хемічно кращою для запалювання іскри початку біологічної активності.
Щоб утворити будівельні блоки, з яких живі організми можуть себе збирати, потрібен доступ до біогенних елементів. На Землі ці елементи включають: вуглець, водень, кисень, азот, сірку та фосфор і ще приблизно два десятки інших елементів, які відіграють основну роль у житті. Хоча неземне життя може не використовувати саме цих елементів, ми сподіваємося, що буде використано більшість із них. Життя на Землі засвоює вуглець (а не, скажімо, кремній), бо він гнучкий у створенні хімічних структур, а не тому, що його багато. Вуглець може легко існувати як двоокис вуглецю, у формі газу або розчинений у воді. З іншого боку, двоокис кремнію не є поширений ні в одній, ні з другій формах і може бути набагато менш доступний. Приймаючи поширеність органічних молекул, які містять вуглець у Всесвіті, можемо сподіватися, що вуглець важливий для життя всюди.
Очевидно: джерела енергії повинні спричинювати хімічну нерівновагу, яка зумовлює реакції, необхідні для розмноження живих систем. Сьогодні на Землі майже вся енергія, потрібна для життя, надходить від Сонця через фотосинтез. Хоча вистачає й хемічних джерел енергії, і, можливо, вони були більш доступні на ранніх етапах життя. Ці джерела мусять включати геохемічну енергію з гідротермальних систем біля вулканів або хемічну енергію від окислення мінералів на/або біля поверхні планети.
Можливості життя на Марсі
Дві планети поза Землею — Марс і Європа — виявляють суттєві ознаки того, що вони мали відповідні умови для виникнення життя в якийсь момент часу своєї історії. (Ми будемо розглядати Європу, супутник Юпітера, як самостійну планету.)
Марс сьогодні не дуже гостинний: денна середня температура на ньому рідко піднімається вище 220 Кельвінів, тобто на 53 Кельвіни нижча точки замерзання води. Втім, склад Марса вказує на те, що рідка вода існувала на його поверхні в минулому і, можливо, існує тепер у надрах планети.
Мережа розгалужених долин на найстаршій марсіанській поверхні подібна до тої, що утворена на Землі потоками води. Вода могла з’явитися внаслідок атмосферних опадів або ж бути «витиснутою», звільненою з поверхневого водоносного шару. Незалежно від походження, рідка вода, безперечно, відіграла свою роль. Розгалужена структура долин свідчить про те, що вони утворилися поступово і колись вода могла текти по марсіанській поверхні, хоча сьогодні цього не спостерігається.
КАНАЛ КАТАСТРОФІЧНОГО ВИВЕРЖЕННЯ НА МАРСІ — Дао Валліс — знаходиться на схилах вулкана Гадріака Патера. Вчені вірять, що тепло вулкана могло спричинити вихід чи виверження підземної води на поверхню Марса саме тут. Можливе поєднання вулканічної енергії та води робить це місце інтригуючим щодо пошуку життя. Фото з сайту www.dlr.de.
Крім того, древні ударні кратери розмірами понад 15 кілометрів у діаметрі сильно деградували, оскільки на них не видно слідів виверження, піднятих країв або центрального піку, характерних для свіжих кратерів. Деякі частково зруйновані кратери на стінах мають напливи, що можна розцінювати як дію води. Кратери з діаметром, меншим 15 кілометрів, розмиті повністю. Найпростіше пояснення цього: їх розмила поверхнева вода.
Хоча історія атмосфери Марса не цілком зрозуміла, можна гадати, що вона була густіша в ранні епохи, 3,5—4,0 мільярди років тому. А густіша атмосфера була здатна спричинити сильний парниковий ефект, який міг нагріти планету достатньо для того, щоб стабільно існувала рідка вода. Є докази того, що приблизно 3,5 мільярда років тому надра планети мали багато води. Очевидно, катастрофічні потоки, які вирвалися з-під поверхні назовні, пробили величезні поверхневі канали. Такі повені періодично відбувалися протягом геологічного часу. Базуючись на цих доказах, робимо висновок: рідка вода повинна існувати на глибині кількох кілометрів під поверхнею, де геотермальне нагрівання доводить температуру до точки танення льоду.
Певний час Марс міг також мати потужні джерела енергії. Як свідчать факти, вулканізм давав тепло, починаючи з найраніших епох до недавнього минулого. Додаткова енергія для підтримання життя могла також надходити й з вивітрювання вулканічних порід. Окислення заліза в базальті, наприклад, звільняє енергію, яку організми здатні використати.
Велика кількість біогенних елементів на поверхні Марса задовольняє умови існування життя. Наявність тепла і води могли створити умови на Марсі для самостійного зародження життя. Якщо навіть життя не виникло на Марсі, воно там могло би бути. Аналогічно тому, як потужні удари викинули з Марса каміння в простір і воно випало на Землю у вигляді метеоритів, так само й земні камені могли б впасти на Червону планету. Якщо вони мали організми, що пережили подорож і потрапили у сприятливі умови, то бактерії, правдоподібно, вижили. Але не виключено зворотний варіант: життя виникло на Марсі, а було перенесено на Землю.
Перегляд енергетичних джерел на Марсі свідчить, що їх достатньо для підтримання життя. Але чи виник фотосинтез, що дозволило б життю пересунутись в іншу екологічну нішу, — залишається нез’ясованим. Звичайно, дані з космічного апарата «Вікінг» у 1970-х р. не представили доказів на користь існування життя на Марсі. Проте можливо, що деякі форми марсіанського життя ще досі існують, замкнені в ізольованих, багатих на енергію та воду нішах, ймовірно, у вулканічне нагрітих підповерхневих гідротермальних системах або просто під землею, черпаючи енергію з хемічної взаємодії рідкої води і породи.
Недавній аналіз марсіанських метеоритів, знайдених на Землі, навів багатьох вчених на думку, що життя могло процвітати на Марсі: це засвідчують скам’янілі залишки на каменях (див. вставку нижче). Щоправда, цей аргумент не вказує однозначно на біологічну активність, адже ці залишки насправді могли бути наслідком природних геохемічних процесів. Навіть якщо науковці не визнають ці камені свідченнями марсіанського життя, воно на Червоній планеті усе ж можливе, тільки місце його ще не знайдено. Щоб зробити остаточний висновок, ми повинні вивчити всі ті місця, де життя (тепер або в минулому) найімовірніше могло існувати.
Мікробіологічні залишки з Марса?
У 1984 р., досліджуючи Далекозахідне льодове поле в районі гір Аллана в Антарктиді, геолог Роберта Скоре знайшла на рівнині зруйнованого вітром голубуватого 10000-річного льоду незвичайний зеленкувато-сірий камінь. Коли вона повернулася у Джонсонівський космічний центр Національного управління з аеронавтики та космосу і в Станфордський університет, дослідники підтвердили, що 1,9-кілограмовий камінь, розміром з помідор, якому надано номер АLH84001, — це метеорит з Марса з дуже цікавою історією.
Кристалізувавшись 4,5 мільярда років тому, відразу після сформування Марса, камінь був викинутий з Червоної планети сильним ударом, і це започаткувало його подорож у космосі упродовж 16 мільйонів років, аж поки він не приземлився в Антарктиді 13000 років тому. Геохеміки дійшли висновку, що розподіл ізотопів кисню, мінеральні та структурні риси каменя збігаються з п’ятьма іншими метеоритами, ідентифікованими як такі, що походять з Марса.
Стінки тріщин усередині метеорита вкриті вуглецевими глобулами, кожна з яких являє собою гладку сферу розміром від 20 до 250 мікронів (мільйонної частинки метра). Глобули, правдоподібно, утворились у рідині, рівномірно насиченій двоокисом вуглецю, можливо, у воді, 1,3-3,6 мільярда років тому. Всередині цих глобул є структури, які могли би бути скам’янілими залишками древніх марсіанських мікробів.
У глобулах виявлено малі зернятка окису заліза і сірчаного заліза, подібні до утворених земними бактеріями, зокрема до поліциклічних ароматичних гідрокарбонатів, яких часто знаходять у місцях розпаду мікробів. Інші овальні та трубчасті структури нагадують скам’янілі земні бактерії. Хоча розміри структур у межах від 30 до 700 нанометрів у довжину, деякі з найбільш інтригуючих трубок мають довжину 380 нанометрів — розмір, близький до нижнього рівня розмірів земних бактерій, типові з яких сягають до 10 мікронів. Розмір і форма трубки вказують на те, що вони можуть бути скам’янілими шматочками бактерій або, радше, «нанобактерій», які на Землі мають розмір від 20 до 400 нанометрів. Ці знахідки спонукали вчених NASA Еверетта Гібсона, Давіда Маккея та їхніх колег до сенсаційної заяви у серпні 1996 р., що мікроби могли колись процвітати на Червоній планеті. Сучасні хемічні аналізи, однак, показали, що АLH84001 сильно заражений амінокислотами з антарктичного льоду, а це послаблює аргументи на користь мікроскам’янілостей з Марса.
Річард Ліпкін
Європа
Європа, з іншого боку, представляє інший сценарій виникнення життя. На перший погляд, планета Європа видається непридатною для життя. Найбільший супутник Юпітера, Європа є тільки трохи меншою за наш Місяць, і її поверхня вкрита майже суцільним льодом. Однак середина Європи, за припущенням, менш холодна, зігріта комбінацією радіоактивного розпаду і припливного тепла, що могло підняти температуру вище точки танення льоду на відносно невеликих глибинах. Оскільки шар поверхневого льоду має товщину від 150 до 300 кілометрів, глобальний океан рідкої води, вкритий льодом, може існувати ще нижче.
Недавні зображення поверхні Європи з космічного корабля «Галілей» відкрили ймовірну присутність мігруючих покладів рідкої води. Загалом поверхня виглядає так, немов укрита довгими жолобами і тріщинами. На меншому масштабі ці квазілінійні деталі виявляють риси, що вказують на місцеву льодово-тектонічну активність та заповнюваність знизу. На найменшому масштабі видно окремі блоки льоду. Проходячи крізь жолоби, блоки ніби рухались під впливом більшої маси. Вони дуже нагадують морський лід на Землі, наче великі блоки льоду відокремились від основного тіла, пропливли малу віддаль і знову вмерзли в лід. На жаль, ми не можемо поки що визначити, чи блоки льоду пливли по рідкій воді, а чи сунулися по відносно теплішому слизькому льоду. Відсутність ударних кратерів на льоду наводить на думку, що свіжий лід постійно поновлюється на поверхні Європи. Скидається на те, що рідка вода тут присутня, принаймні епізодично.
Якщо Європа взагалі має рідку воду, ця вода, мабуть, існує у проміжку між поверхневим льодом та внутрішнім кам’яним ядром. Кам’яне ядро Європи, можливо, мало вулканічну активність, подібно до того, як наш Місяць 3 мільярди років тому гуркотів від вулканів. Вулканізм ядра створив би джерело енергії для можливого існування життя так само, як і ерозія мінералів, які реагують із водою. Отже, Європа має всі складові для виникнення життя. Очевидно, у Європи менша кількість хемічної енергії, ніж у Марса, тому не варто сподіватися на багатство життя на цій планеті, якщо воно взагалі існує. Хоча космічні проби «Галілея» виявили органічні молекули і замерзлу воду ще й на Калісто та Ганімеді — двох із чотирьох Галілейових супутниках Юпітера, вони обділені джерелами енергії, необхідними для підтримання життя. Тільки Іо, ще один із Галілейових супутників, має вулканічне тепло, проте він позбавлений рідкої води, необхідної, як ми знаємо, для життя.
ПОВЕРХНЯ ЄВРОПИ помережана так, що сприймається як сліди тектоніки льоду. Припускають, що блоки льоду відірвалися й пересунулися, а чи навіть попливли по рідкій воді. Іншим доказом можуть бути результати спектрального аналізу світла, відбитого від поверхні Європи, які вказують на майже чисту воду. Горизонтальні чорні смуги на зображенні з’явилися під час передачі даних.
Марс і Європа є на сьогодні єдиними місцями у нашій Сонячній системі, які ми можемо ідентифікувати як такі, що мають (чи могли мати) усі складові, необхідні для початку розвитку життя. Але не тільки вони є тілами у нашій Сонячній системі, що цікаві для екзобіології. Так, іще варті уваги Венера і Титан, найбільший супутник Сатурна. Венера все ж залишається занадто гарячою для зародження на ній життя: температура її поверхні сягає близько 750 Кельвінів і підтримується парниковим ефектом, зумовленим окисом вуглецю та окисом сірки. Уся рідка вода давно випарувалась.
Венера й Титан
Чому Венера і Земля такі різні? Якби Земля оберталася навколо Сонця на такій же віддалі, що й Венера, то вона також перетворилась би на парову бульбашку, викидаючи більше пари в атмосферу, що посилило б парниковий ефект. Позитивний зворотний зв’язок підсилив би цей процес: більше води, більший парниковий ефект і так — до насичення атмосфери та зростання температури. Оскільки температура відіграє велику роль щодо вмісту води в атмосфері, — і Земля, і Венера мають певний температурний поріг, поза яким позитивний зворотний зв’язок катастрофічне збільшує парниковий ефект. Ця петля зворотного зв’язку могла б наситити атмосферу Венери водою, що, в свою чергу, значно збільшило б температуру. Нижче цього порогу її клімат був би подібний до земного.
Можливо, Венера не завжди була такою негостинною. Чотири мільярди років тому Сонце випромінювало на 30 відсотків менше енергії, аніж сьогодні. Зі зменшенням сонячного випромінювання зменшується кількість тепла , отже, на Венері міг би бути сприятливий клімат, тобто температура на її поверхні перевищувала б тільки десь на 100°С середню температуру на поверхні Землі. Життя цілком могло витримати таку температуру, як ми бачимо з прикладу деяких бактерій та біоорганізмів, поширених біля гарячих джерел та підводних виходів тепла. Коли Сонце стало гарячішим, Венера почала нагріватися, аж поки не пройшло катастрофічне перетворення в товсту гарячу атмосферу. Можливо, на Венері життя виникло декілька мільярдів років тому, але висока температура та геологічна активність повністю стерли відтоді всякий прояв біосфери. Якщо Сонце і далі нагріватиметься, можливо, й Землю чекає така доля через кілька мільярдів років.
ПЛЯМИСТІСТЬ ПОВЕРХНІ ТИТАНАвказує на те, що вона не вкрита однорідно океаном метану й етану, як думали колись учені. Ймовірно, поверхня помережана мозаїкою озер і твердих регіонів. Густі хмари, багаті органічними аерозолями, які виникли з атмосферних реакцій, оточують Титан. Учені часто порівнюють Титан із ранньою Землею, ще до виникненняжиття на ній. Фото з сайту http://www.whillyard.com/science-pages/our-solar-system/titan.html.
Титан зацікавив нас багатьма ознаками органічної хемічної активності в атмосфері, подібної до тої, яка, була б у земній атмосфері на ранніх стадіях, якби її атмосфера мала змогу перетворювати хемічні складові. Титан за розмірами приблизно рівний Меркурію, а його атмосфера густіша від земної і складається в основному з азоту, метану та етану. Метан постійно мусить поповнюватися з поверхні або підповерхневих шарів, оскільки фотохімічні реакції в атмосфері відривають водень (який вилітає в космос) і перетворюють метан у довші ланцюжки органічних молекул. Вважається, що ці довші ланцюжки гідрокарбонатів утворюють туман навколо поверхні Титана, який спостерігається у видимій області спектра.
Поверхнева температура Титана становить приблизно 94 Кельвіна, тобто на ньому надто холодно для існування рідкої води або нефотохемічних реакцій, які могли б викликати біологічну активність, хоча Титан, безумовно, мав трохи рідкої води у ранній період своєї історії. Підчас його формування удари повинні були забезпечити досить тепла (з кінетичної енергії тіла) для танення замерзлої води в окремих місцях. Залишки води, напевно, існували протягом тисяч років перш ніж замерзли. Кожна частина поверхні Титана, можливо, хоча б раз розмерзалася. Залишається невизначеним рівень, до якого могли дійти біологічні реакції за такий короткий час.
Програми досліджень
Очевидно, ключові складові, необхідні для виникнення життя, могли існувати у нашій Сонячній системі тривалий час і, певно, існують і сьогодні поза Землею. В той чи інший момент чотири планетних тіла можуть мати умови, сприятливі для зародження життя. Ми спроможні визначити наявність життя будь-де тільки емпірично, тому пошук його зайняв центральне місце в наукових експедиціях, які проводяться в Національному управлінні з аеронавтики й космосу (NASA). Серія експедицій «Mars Surveyor», запланована на наступне десятиліття, має на меті визначити, чи було коли-небудьжиття на Марсі. Ця серія завершиться запуском корабля орієнтовно в 2005 р., який збиратиме проби марсіанського ґрунту в ймовірно біологічно активних регіонах і привезе їх на Землю для детального аналізу. Корабель «Кассіні» вже в дорозі до Сатурна. Там зонд «Гюйгенс» увійде в атмосферу Титана з метою розшифрувати її хемічний склад. Радар зніматиме карту поверхні Титана, одночасно шукаючи геологічні ключі до його історії та докази існування відкритих озер чи океанів метану та етану.
Крім того, «Галілей», який літає на орбіті біля Юпітера, концентрує свою розширену програму на вивченні поверхні і внутрішньої структури Європи. Планується навіть запустити спеціальний корабель до Європи, щоб вивчити її геологічну й геохемічну історію та визначити, чи під її льодяною поверхнею є глобальний океан.
Не виключено, що при все глибшому проникненні в нашу Сонячну систему ніяких доказів життя ми не знайдемо. Однак, якщо життя виникає так просто з окремих блоків, як ми гадаємо, то воно повинно існувати всюди. Справді: відсутність життя деінде змусить нас переглянути засади виникнення життя тут, на Землі. Як би там не було, чи знайдемо ми життя чи ні, але ми дійдемо приголомшливого розуміння нашої власної історії та відповіді на питання: чи життя є рідкісне чи поширене у нашій Галактиці?
