Наука - Пять главных вопросов о жизни на Земле

Как они могут предопределить направление поисков в других мирах?
Ученые нашли жизнь в самых холодных, самых жарких, самых, казалось бы, не подходящих для этого уголках нашей Земли. Область дальнейшего поиска – Марс, Титан и все, что за ними.

Путешествуя по Солнечной системе, вы нигде не увидите столь удивительных картин, как на Титане, самом большом спутнике Сатурна. На просторах в сотни километров поверхность планеты устилают пустыни с наметенными ветром дюнами стометровой высоты. На фотографиях, сделанных за последние два года с космического корабля Cassini, видны также речные русла, когда-то прорезанные потоками жидкого метана. Когда в 2005 году зонд Huygens весом 315 кг отделился от корабля Cassini и сел на поверхность планеты, под ним оказалось вещество, напоминающее по своей консистенции влажный песок. Атмосфера Титана оказалась в 10 раз плотнее земной и состояла из сложных органических молекул.

«В астробиологическом плане Титан – самое любопытное место во всей Солнечной системе, – говорит Питер Уард, руководитель исследований, ведущихся в вашингтонском университете на гранты NASA. – Мы пока еще нигде не видели таких странных химических раскладов. Если на Титане обнаружится жизнь, это будут, судя по всему, по-настоящему инопланетные существа».

В течение последних нескольких лет такие космические аппараты, как Cassini, предоставили нам широкие возможности внимательно разглядеть инопланетные пейзажи. Поиски жизни по всей Солнечной системе набрали обороты и вышли на новый уровень. С другой стороны, если верить некоторым ученым, самые глубокие и принципиальные выводы можно сделать на основании исследований, которые выполняются на Земле. Жизнь обнаружена здесь во множестве совершенно не приспособленных для нее закоулков – от Южного полюса до горячих источников.

Если мы сможем понять факторы, благодаря которым жизнь процветает на нашей планете, легче будет разобраться с условиями, при которых она может развиваться и в других уголках космоса. Какие формы способна принимать жизнь? Ответ на этот вопрос – это ответ, есть ли у нас живые соседи за пределами нашей планеты, и если есть, то где их искать – в Солнечной системе или еще дальше.

3 июля 2005 года космический корабль Deep Impact выпустил 400-килограммовый зонд, оставив его прямо на пути следования кометы Tempel 1, которая в это время неслась по своей орбите со скоростью 37 000 км/ч. Произошло столкновение, и зонд выбил в поверхности кометы воронку, а фонтан обломков рассеялся по окружающему космическому пространству. Это аккуратно спланированное событие фотографировалось камерами с корабля Deep Impact, а полученные фотографии исследователи изучают до сих пор. В результатах этой искусственной катастрофы они надеются найти намек на разгадку тайны, как же впервые образовалась жизнь на нашей Земле. Если мы поймем, как микробы зацепились за поверхность нашей планеты, легче будет искать планеты с правильной совокупностью необходимых условий. Вся жизнь на Земле построена из одних и тех же кирпичиков. Белки состоят из веществ, известных нам как аминокислоты. Все гены формируются из молекул (нуклеотидов), крепящихся к хребту из фосфатов и сахара (рибоза).

Главные загадки начинаются с вопроса, когда и как эти вещества попали на Землю. По всем прикидкам, жизнь могла зародиться от 4,55 (время зарождения планеты) до 3,45 (самая древняя не подлежащая сомнению датировка ископаемых земных микробов) миллиардов лет тому назад. Где-то в этом интервале какие-то компоненты жизни могли быть занесены на Землю кометой наподобие Tempel 1. Ученые, анализирующие результаты экспедиции Deep Impact, уже выяснили, что фонтан вещества, выброшенный из кратера, в изобилии содержит органические молекулы, из чего можно сделать вывод, что в составе самой кометы представлены существенные количества этих жизненно важных веществ.

Необходимое для жизни сырье могло самопроизвольно образоваться и на Земле. Два года назад ученые смогли искусственно получить рибозу, помогающую сформировать хребет ДНК. При синтезе были воспроизведены химические условия, которые могли бы сложиться в пустынях нашей планеты, когда она была еще молода.

Последняя часть головоломки – вопрос, как из уже упомянутых кирпичиков вдруг сложилась непростая конструкция пусть даже самых примитивных живых объектов. Некоторые исследователи предполагают, что океанские волны забрасывали обогащенную органикой воду на болотистые равнины приливной зоны, где жгучее солнце и ритмичный прибой действовали наподобие катализаторов в этом биохимическом реакторе. Другие думают, что жизнь зародилась в гуще илистых отложений вдоль хребтов, пролегавших по дну океана. В этих зонах из трещин в земной коре выделялись богатые энергией минеральные вещества.

«Эти загадки напоминают огромный пазл. Мы вытряхнули из коробки все фишки, и некоторые из них нам уже удалось соединить, – говорит Брюс Раннегар, научный директор Института астробиологии NASA. – Уже сложились отдельные кусочки неба и кое-что по краям, но пока еще неведомо, что же все-таки нарисовано на картинке».

По мере того, как в этой загадочной картинке начинают вырисовываться новые и новые фрагменты, она все точнее указывает направление поиска жизни за пределами нашей планеты. Четыре миллиарда лет назад на Марсе, судя по всему, была теплая, влажная атмосфера, а это значит, что там вполне могла зародиться жизнь. Но если всё, что необходимо для зарождения жизни, это смесь определенных ингредиентов и какой-либо источник энергии, тогда жизнь могла бы возникнуть и в менее гостеприимных мирах, например на Титане. Если глубже понять роль комет, удастся, может быть, оценить, на каких планетах из других солнечных систем наиболее вероятно существование жизни. Если окажется, что кометы служат транспортом, доставляющим на планеты ключевые химические компоненты, тогда астрономам нужно искать такие планетные системы, которые окружены густыми облаками комет.

Как мы знаем, для жизни необходима какая-либо жидкость. В газообразной среде молекулы носятся так быстро, что уже не способны участвовать в достаточно сложных химических реакциях, необходимых для существования жизни. В твердых телах, напротив, они вообще не способны двигаться. Жидкость – это растворитель, абсолютно необходимый для протекания жизненных процессов; именно благодаря этому растворителю молекулы способны совершать разнообразные движения, входя в контакт друг с другом.

Земля – довольно сырое место. Почти вся она покрыта океанами, озерами и реками. Ее атмосфера забита облаками, насыщена паром. Водой на километры вглубь пропитана земная кора, и континентальные платформы плавают на водяной смазке. У нас во всех жизненных процессах в качестве жидкого растворителя выступает вода – будь то в пустыне или в толще скальных пород. Значит ли это, что лишь вода способна поддерживать жизнь, или же просто жизнь на нашей планете воспользовалась для своих нужд самым доступным из подходящих для этой цели веществ?

Этот вопрос – один из самых обсуждаемых в науке астробиологии. Теоретически возможно, чтобы для какой-либо экзотической формы жизни на основе атомов углерода таким универсальным носителем послужил бы жидкий природный газ или еще какой-либо углеводород. А если жизнь будет строиться не на углероде, а на каком-либо другом элементе, скажем, на кремнии, она сможет развиваться и в среде с жидкостями другого типа.

Сегодня поиск жизни сосредотачивается в тех местах, где существует или когда-либо существовала вода в жидком состоянии. Однако некоторые астробиологи полагают, что не следует безосновательно сужать свое поле зрения. «Откуда вы знаете, что стратегия с лозунгом ‘ищи воду!’ не закрывает нам глаза на возможные более экзотические проявления жизни, которые вообще не нуждаются в воде?» – спрашивает Стивен Беннер из Фонда прикладных исследований в сфере молекулярной эволюции. Марс – это единственная планета с бесспорными свидетельствами существования воды. Еще вода имеется на спутнике Юпитера Европе и, вполне возможно, запасами воды располагает еще одна луна Юпитера – Энцелад. Однако на других небесных телах могут быть и другие жидкости, способные поддерживать жизнь. Над Юпитером висят облака из жидкого аммиака. Венера скрыта под одеялом из серной кислоты. На фотографиях Титана можно увидеть что-то очень похожее на озера жидкого метана.

Шахты Южной Африки обычно интересуют охотников за золотом и алмазами. Туллис Онстотт, геомикробиолог из Принстонского университета, отправился туда за другим сокровищем – он ищет жизнь, которая питалась бы ядерной энергией. Онстотт и его коллеги собирали образцы воды, которые просачивались в старые шурфы. Эти образцы отправлялись в лабораторию, где их анализировали на предмет наличия микроорганизмов. Обнаруженные в этой воде микробы обитали на глубине более 5 км под землей в среде, которая никоим образом не была связана с поверхностными водами. «Зона, в которой мы проводили исследования, – говорит Онстотт, – изолирована от земной поверхности уже в течение десятков миллионов лет».

Судя по всему, микробы существовали без солнечного света, питаясь органическими углеродными соединениями, которые возникали благодаря реакции СО и воды. Что касается энергии, то они использовали водород, который получался, когда излучаемые из скальных пород радиоактивные частицы дробили молекулы воды. «Мы видим, что здесь, внизу, могут без проблем существовать организмы, питающиеся ядерной энергией», – говорит Онстотт.

В свете этого открытия можно лелеять надежду, что жизнь существует на Марсе или на обледеневших лунах Сатурна и Юпитера. Спутники больших планет с периферии Солнечной системы были, по-видимому, всегда слишком холодны, чтобы на их поверхности могла существовать жизнь. Тем не менее ученые не исключают вероятности, что организмы прямо сразу образовались глубоко под поверхностью этих планет, где и существуют по сей день.

Если вы дрейфуете в океане или попали в пургу, Земля может показаться вам весьма недружелюбной, однако в сравнении с другими планетами она на удивление комфортна. Температура на ней относительно стабильна, так что вода в жидком состоянии доступна почти по всей поверхности планеты. Высотный озоновый слой защищает обитателей от опасных космических лучей, при этом на поверхности достаточно солнечного света для фотосинтеза. Благодаря этому на суше растут леса и прерии, а в океане размножаются миллиарды тонн водорослей.

В поисках внеземной жизни оказывается трудно где-то найти такие курортные условия, как на Земле. Рассмотрим хотя бы то, что происходит у наших ближайших соседей. Мы не знаем о каких-либо источниках воды в жидком состоянии на поверхности Марса, там нет никакой защиты от космических лучей, ветер несет пыль на тысячи километров, а температура падает до –87⁰С. Тем временем Венера задыхается в углекислом газе, а температура на ее поверхности может достигать 460⁰С.

Впрочем, за последние годы ученые выяснили, что жизнь может существовать в исключительно суровых условиях. Особо теплолюбивые организмы (они называются «термофилы») могут процветать в воде с температурой 120⁰С. Их можно обнаружить в горячих источниках, например в гейзерах. Встречаются они и в морской воде поблизости от разломов на океанском дне, где через трещины выдавливается расплавленная горная порода. Химический состав этих существ приспособлен к тому, чтобы существовать при высоких температурах. Так, к примеру, особый набор ферментов не позволяет тепловому воздействию разорвать аккуратно упакованные белковые молекулы.

Жизнь способна противостоять и зверским морозам. Джин Бренчли, микробиолог из государственного университета штата Пенсильвания, растопил кусочек льда, который достали из-под самого основания одного из гренландских ледников толщиной 3000 метров. Этот лед пробыл там по крайней мере 120 000 лет. При ближайшем рассмотрении с помощью микроскопа в нем обнаружились шныряющие туда и сюда микроорганизмы. «Исследуемый кусочек льда был густо населен, – говорит Бренчли, – а его население оказалось весьма разнообразным».

Эти существа, которые принято называть «психрофилы», сталкиваются со специфическими проблемами и выработали для их решения удивительные способы. Для того чтобы не затвердеть, превратившись в кусочек льда, некоторые организмы производят особые составы, напоминающие по своему действию антифриз. Такие вещества препятствуют объединению молекул воды в кристаллы.

Астробиологи могут почерпнуть весьма полезные уроки как у термофилов, так и у психрофилов. Некоторые ученые придерживаются гипотезы, что в зарождении жизни на Земле ключевую роль сыграли именно термофилы. Если эта теория верна, тогда можно предположить, что жизнь способна зародиться на планетах, располагающих запасами горячей воды. В таком случае особенно хорошим кандидатом можно считать Марс – геологи полагают, что его скальные образования были созданы в ходе развития гидротермальной системы.

Впрочем, сегодня Марс – холодная планета, и чем дальше мы удаляемся от Солнца, тем более холодное окружение будет нас ожидать. «Если перебрать все угодья Солнечной системы, холодных там окажется куда больше, чем горячих, – говорит Питер Уард из университета штата Вашингтон. – Наше генеральное наступление должно развертываться в сторону холодной жизни».

Сейчас все взгляды прикованы к спутнику Сатурна Энцеладу. В марте NASA опубликовало фотографии, где гейзеры, расположенные на поверхности этого спутника, извергают в космос потоки ледяных кристаллов. Это весьма убедительное свидетельство, что в глубинах этого небесного тела могут таиться полости с водой в жидком состоянии. В свете этого открытия можно предположить, что и другие заледенелые луны Сатурна и Юпитера могут на поверку оказаться приютом для психрофилов.

После того как мы решим, где нужно искать жизнь, следует определиться, что же на самом деле мы ищем. Всё складывается так, что, если мы и можем надеяться на существование жизни за пределами Земли, в Солнечной системе она, скорее всего, будет принимать микроскопические формы. Сознавая такие расклады, исследователи из университета Карнеги–Меллон придумали способ, как можно было бы распознать живые организмы на молекулярном уровне.

«Мы попробовали создать прибор, который позволил бы подтвердить одновременное наличие в одном месте углеводородов, белков, ДНК и других биомаркеров. Если мы увидим эти вещества вместе, будут основания полагать, что они связаны с одним и тем же организмом», – говорит руководитель исследовательской группы Дэвид Веттергрин.

Уже в течение трех лет его команда ведет в чилийской пустыне Атакама испытания самоходного аппарата по имени Зоя (Zoe). Атакама – одно из самых засушливых мест на земле, и выживают там лишь немногие бактерии, водоросли и лишаи. Зоя разыскивает их следующим образом: сначала опрыскивает землю красителями, способными прилипать к биологическим молекулам, а затем освещает эти краски ярким светом. Пока что Зоя безупречно выполняет свою работу. Веттергрин полон оптимизма и полагает, что на Марсе этот метод покажет себя. Однако при своей нынешней конфигурации Зоя имеет и слабые стороны – она способна распознавать только организмы, состоящие из тех же химических веществ, что и жизнь на Земле. А ведь неразумно полагать, что рецепты, по которым сварена жизнь на Земле, представляют собой одну-единственную формулу.

Некоторые ученые пытались воссоздать простейшие формы жизни, используя для этого только РНК, а не ДНК. Возможно, что нынешняя жизнь развилась из организмов на базе РНК, и уже потом они уступили место более сложным формам. Некоторые исследователи допускают, что такие изначальные, «первобытные» существа все еще живут вокруг нас, спрятавшись в еще не исследованных местах, например в мелких порах скальной породы. Другие ученые для хранения генетической информации пользуются и более экзотическими молекулами – например ПНК (пептид-нуклеиновая кислота). В молекулах ДНК и РНК генетическая информация нанизывается на хребет из рибозы. В молекуле ПНК эта несущая основа составлена из пептидов, тех азотсодержащих «кирпичиков», из которых строятся белки.

Если жизнь способна формироваться только на основе ДНК, тогда она может зародиться лишь на тех планетах, где есть фосфор, азот и определенные типы сахаров. На некоторых планетах, например на Марсе, все эти ингредиенты могли оказаться в одном месте, в то время как на других, таких как Юпитер, это маловероятно. Если ученые сумеют разработать альтернативу ДНК, список планет, на которых стоит искать жизнь, принципиально расширится.

Конечно, нынешние разговоры об альтернативных формах жизни больше подобают не биологам, а голливудским сценаристам. Но покуда человечество полно решимости отправлять экспедиции в космос, в самом деле хорошо было бы иметь представление о том, куда лететь и что мы там собираемся встретить. Процесс такого осмысления уже начат, а факт, что даже в самых неприветливых уголках нашей планеты ютится жизнь, дает нам надежду на существование жизни в других мирах. Осталось только выбраться туда и хорошенько поискать.

Признаки жизни обнаружены на Земле в самых неожиданных местах, на километровых глубинах в толще ледовых щитов, в пОрах минеральных отложений, где царит кислотная среда, способная растворять гвозди, в перегретых водах донных океанских гейзеров. Оценивая экстремальные условия, в которых организмы могут выживать на нашей планете, ученые надеются представить себе, по каким адресам способна прописаться жизнь в Солнечной системе

Европа, четвертая по величине луна Юпитера, имеет на поверхности температуру –1620С. Однако ученые полагают, что под ее обледенелой корой залегают огромные океаны, нагретые за счет тектонических процессов в ее ядре. В результате возникает вероятность образования гидротермальных выходов наподобие земных океанических. Две другие луны, Каллисто и Ганимед, обладают таким же ядром из скальных пород, которое покрыто слоями льда. Результаты электромагнитных измерений показывают, что здесь тоже могут обнаружиться океаны с соленой водой. В 1995 году, во время экспедиции космического корабля NASA Galileo, на всех этих небесных телах были выявлены органические молекулы.

Взять хоть его мифические каналы или окаменелые остатки бактерий внутри метеорита, найденного на Земле, – все разговоры о жизни на Марсе дискредитированы различными противоречиями. Это, впрочем, не опровергает очевидного факта, что когда-то условия на этой планете могли быть вполне пригодны для жизни. Речные русла указывают на то, что по этой планете некогда свободно текла вода, а полярные ледяные шапки до сих пор хранят воду в замерзшем виде. Средняя температура поверхности выглядит почти терпимой – всего –710С. Начиная с января 2004 года два марсохода передают на Землю свои наблюдения, в том числе и фотографии скал, обточенных потоками воды.

На наш взгляд там жарковато – средняя температура поверхности не ниже 5500С. Так было не всегда – ученые полагают, что в течение 2 млрд. лет на этой планете держалась вполне комфортная температура и ласково плескались океаны. Два эти момента можно считать ключевыми для зарождения жизни. Есть мнение, что микробы могли бы выжить на Венере и по сей день – воспарив с облаками повыше от раскаленной поверхности, но и не слишком высоко, чтобы не попасть под ультрафиолетовое излучение Солнца. Скоро мы получим более подробную картину – ее должен передать аппарат Venus Express, посланный Европейским космическим агентством. 11 апреля 2006 года этот космический корабль уже достиг венерианской орбиты.

У нас уже были возможности убедиться, что на Луне жизни нет. Тем не менее это не значит, что жизнь не способна удержаться на спутнике Земли. В 1969 году команда корабля Apollo 12 обнаружила обычную земную бактерию, которая выжила, проведя три года внутри брошенной на Луне камеры с аппарата Surveyor 3. И это при отсутствии атмосферы, при температуре –2300С, при полном отсутствии воды, энергии и питательных веществ. В 2006 году какую-то дополнительную информацию о Луне сможет получить японская экспедиция SELENE. Далее в этом же десятилетии подобные экспедиции собираются отправить на Луну Китай и Индия. Следующая лунная экспедиция под эгидой NASA планируется не раньше 2010 года.

В январе 2005 года благодаря космическому зонду Huygens мы впервые рассмотрели поверхность Титана и увидели сухие каналы, напоминающие русла рек, а также вулкан, который, похоже, извергал в космос снежную пыль из замороженного метана. При плотной, богатой азотом атмосфере и при наличии органических молекул Титан мог бы напомнить нам Землю в те времена, когда на ней еще только зарождалась жизнь. Разница лишь в том, что на Титане существенно холоднее. Поскольку до Солнца здесь далеко, жизнь может рассчитывать только на энергию, получаемую от химических реакций. Космический аппарат Cassini, который обращается по орбите вокруг Сатурна еще с июня 2004 года, обнаружил также атмосферу из водяных паров над Энцеладом.

Вряд ли кому придет в голову искать жизнь на кометах или астероидах, однако на них можно найти основные строительные элементы для создания жизни. 4 июля 2005 года зонд с аппарата Deep Impact врезался в ядро кометы Tempel 1. Его целью было разыскать на этом 15-километровом космическом теле следы углерода, водорода, азота и кислорода. Впервые на поверхности кометы был найден лед, то есть замерзшая вода.

Пустыня Атакама на западе Чили Здесь солнце жжет с исключительной силой, а дождя выпадают считанные миллиметры за десятилетие. И тем не менее самоходный аппарат, созданный для поисков жизни, и здесь во многих местах обнаружил живые микроорганизмы.

В надежде услышать сигналы инопланетного разума группы энтузиастов уже в течение полувека арендуют рабочее время на самых мощных в мире радиотелескопах. Сейчас силами SETI («Поиск внеземного разума») в Калифорнии монтируется антенная решетка из 350 «тарелок». Число доступных для обследования звезд вырастет с 800 до миллиона. Кроме того, астрономы прочесывают галактику в поисках «внесолнечных» планет (обнаружено уже более 170, некоторые имеют атмосферу). В июне 2005 года группа, работающая в обсерватории Кека, сообщила, что нашлась самая похожая на Землю планета. Она вдвое больше Земли по диаметру и в семь раз – по массе. Обращается она вокруг звезды, отстоящей от нас на 15 световых лет. Запланированный на 2008 год проект Kepler займется поиском планет, которые были бы сравнимы с Землей по размерам и находились «в зоне обитаемости».
«Согласно нынешнему состоянию нашей теории, следует ожидать, что раньше или позже будут найдены космические образования, похожие на нашу Солнечную систему, – говорит гарвардский астрофизик Алан Пенни, – однако не будем упускать из виду один нюанс – высокопарные слова «нынешнее состояние нашей теории» означают всего лишь "хотелось бы верить"».

В 1960 году советская космонавтика, вдохновленная успешным запуском искусственного спутника Земли, планировала очередной прорыв – запуск автоматической станции к Марсу со стартовой позиции полигона Тюратам (Казахстан). Одной из задач станции был поиск жизни на Красной планете, однако этому не суждено было сбыться: ближе к осени стало очевидно, что подготовить запуск в столь короткие сроки невозможно. Вот как об этом вспоминает в своей книге «Ракеты и люди» Борис Евгеньевич Черток: «Баллистики и проектанты считали траектории для каждой даты. Они доложили: ‘Мы уходим от оптимальной даты, поэтому надо искать резервы веса!’ Госкомиссия без колебаний постановила снять с борта фототелевизионное устройство и спектрорефлексометр профессора Лебединского. Этот прибор должен был определить, есть ли жизнь на Марсе. Чтобы облегчить принятие такого решения, Королев предложил прибор предварительно проверить в степи недалеко от нашей площадки. Ко всеобщему восторгу прибор показал, что на Земле в Тюратаме ‘жизни нет’»!