23.07.2014. - Охота за инопланетной жизнью

Охота за инопланетной жизнью

Живущим сегодня на Земле, возможно, суждено узнать ответ на один из древнейших вопросов, интересующих человечество: одиноки ли мы во Вселенной?

Едва робот-вездеход, прицепившийся к подводной стороне льдины на одном из озер Аляски, получает сигнал из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадине, Калифорния, на нем вспыхивает прожектор. «Сработало!» – восклицает инженер Джон Лейкти, съежившийся в палатке на льду. Наверное, это событие и нельзя назвать большим шагом в технологии, но как первый шажок на пути исследования далекого спутника другой планеты – сгодится.

За семь тысяч с лишним километров к югу, в Мексике, геомикробиолог Пенелопа Бостон, которой для нормальной работы необходимо купить восточные сладости, бредет по колено в воде сквозь непроглядную тьму пещеры. Как и другие ученые из ее группы, Бостон натянула мощный респиратор и тащит баллон с воздухом, чтобы не отравиться сероводородом и угарным газом, которые просачиваются в гроты, а подземный ручей, омывающий ее сапоги, несет серную кислоту. Внезапно луч фонаря Бостон освещает вытянутую каплю густой полупрозрачной жидкости, которая сочится из пористой известковой стены пещеры. «Ну разве не прелесть?» – восклицает она.

Трудно сказать, в какой момент поиск жизни среди звезд превратился из научной фантастики в науку, но одним из ключевых событий стала встреча ученых в ноябре 1961 года.

Возможно, в замерзшем арктическом озере и наполненной ядовитыми испарениями тропической пещере удастся обнаружить подсказки, которые помогут ответить на один из самых неразрешимых и древних вопросов на Земле: есть ли жизнь на Марсе? (Ну или хоть где-то за пределами нашей планеты?) Жизнь иных миров, будь то в нашей Солнечной системе или вблизи других звезд, вполне может таиться подо льдом, покрывающим целые океаны, как на Европе, спутнике Юпитера, или в плотно закупоренных и наполненных газом пещерах, которых, вероятно, немало на Марсе. Если научиться выявлять и определять формы жизни, процветающие в схожих условиях на Земле, легче будет найти нечто подобное за ее пределами.

Трудно сказать, в какой момент поиск жизни среди звезд превратился из научной фантастики в науку, но одним из ключевых событий стала встреча ученых в ноябре 1961 года. Организовал ее Фрэнк Дрейк, молодой радиоастроном, увлеченный идеей поиска радиоволн инопланетного происхождения.

«Тогда, – вспоминает Дрейк, которому сейчас 84, – поиск внеземного разума [по-английски Search for Extraterrestrial Intelligence – SETI] был своего рода табу». Однако, заручившись поддержкой директора своей лаборатории, Фрэнк собрал нескольких астрономов, химиков, биологов и инженеров, чтобы обсудить вопросы, которыми сегодня занимается астробиология – наука о внеземной жизни. Дрейк хотел, чтобы коллеги подсказали ему, насколько разумно отводить значительное время работы радиотелескопа попыткам услышать радиопередачи инопланетян и какой способ поиска внеземной жизни может оказаться самым многообещающим. Еще его интересовало, сколько цивилизаций может насчитывать наша галактика – Млечный Путь, и перед приходом гостей Фрэнк написал на доске уравнение.

Это знаменитое ныне уравнение Дрейка определяет количество цивилизаций, которые мы можем обнаружить, исходя из скорости формирования звезд в Млечном Пути, умноженной на долю звезд с планетами, затем – на среднее количество планет с подходящими для жизни условиями в одной звездной системе (планеты должны быть размером примерно с Землю и находиться в обитаемой зоне своей звезды), потом – на долю планет, где жизнь могла возникнуть, и на долю тех из них, где мог появиться разум, и, наконец, – на долю тех, где разумные формы жизни способны достичь такого уровня развития, чтобы посылать распознаваемые радиосигналы, и на среднее время, в течение которого такие цивилизации продолжают их посылать или вообще существовать. Если же подобные общества склонны уничтожить себя в ядерной войне всего лишь через несколько десятилетий после изобретения радио, то, вероятно, в любой конкретный момент времени их количество окажется очень невелико.

Уравнение замечательное, если не считать одной нестыковки. Никто не имел даже смутного представления о том, чему равны все эти доли и числа, если не считать самую первую переменную, скорость формирования звезд, похожих на Солнце. Все остальное было чистой воды догадками. Разумеется, если бы ученым, занимающимся поиском жизни в космосе, удалось бы засечь внеземной радиосигнал, все эти допущения потеряли бы значение. Но, в отсутствие такового, специалистам по всем переменным уравнения Дрейка предстояло найти их точные значения – выяснить, как часто у звезд солнечного типа бывают планеты. Ну или раскрыть тайну возникновения жизни на Земле...

Прошла треть века, прежде чем в уравнение удалось подставить хотя бы приблизительные значения. В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело из Женевского университета обнаружили первую планету в иной звездной системе солнечного класса. Эта планета – 51 Пегаса b, удаленная от нас на 50 световых лет, представляет собой огромный газообразный шар размером с пол-Юпитера; ее орбита проходит так близко от звезды, что год на ней продолжается всего четыре дня, а температура на поверхности превышает тысячу градусов Цельсия.

Никто и мысли не допускал о том, что в таких адских условиях могла зародиться жизнь. Но открытие даже одной-единственной экзопланеты уже было огромным успехом. В начале следующего года группа под руководством Джеффри Марси, в то время работавшего в Университете Сан-Франциско, а теперь – в Беркли, нашла вторую экзопланету, а затем и третью – и плотину прорвало. Сегодня астрономам известно без малого две тысячи самых разных экзопланет – и крупнее Юпитера, и меньше Земли; еще нескольких тысяч (большинство было обнаружено с помощью сверхчувствительного космического телескопа Kepler) ждут, когда открытие подтвердится. Ни одна из далеких планет не является точной копией Земли, однако ученые не сомневаются, что и такую удастся найти в ближайшем будущем. Исходя из данных по нескольким более крупным планетам, астрономы подсчитали, что у более чем пятой части звезд солнечного типа есть пригодные для жизни, похожие на Землю планеты. Существует статистическая вероятность, что ближайшая из них находится на расстоянии 12 световых лет от нас – по космическим меркам, на соседней улице.

Это обнадеживает. Впрочем, в последние годы охотники за обитаемыми мирами поняли, что совершенно необязательно ограничивать поиски звездами, похожими на Солнце. «Когда я учился в школе, – вспоминает Давид Шарбонно, астроном из Гарварда, – нам говорили, что Земля вращается вокруг самой обычной, среднестатистической звезды. Но это не так». На самом деле 70–80 процентов звезд Млечного Пути – маленькие, относительно холодные, тусклые, красноватые тела – красные и коричневые карлики. Если бы планета земного типа вращалась вокруг такого карлика на правильном расстоянии (ближе к звезде, чем Земля, чтобы не обледенеть), условия для возникновения и развития жизни могли бы сложиться и на ней. Более того, планете не требуется быть размером с Землю, чтобы быть пригодной для жизни. «Если вам интересно мое мнение, – говорит Димитар Сасселов, еще один гарвардский астроном, – то любая масса от одной до пяти земных идеальна». Похоже, разнообразие пригодных для жизни звездных систем куда богаче, чем могли предположить в 1961 году Фрэнк Дрейк и участники его конференции.

И это еще не все: оказывается, перепад температур и разнообразие химических сред, в которых могут процветать организмы-экстремофилы (буквально, «любители экстремальных условий»), также шире, чем можно было представить себе полстолетия назад. В 1970-е годы океанографы, в том числе работавший при поддержке National Geographic Society Роберт Баллард, открыли на океанском дне сверхгорячие источники – черные курильщики, вблизи которых существуют богатые бактериальные сообщества. Микробы, питающиеся сероводородом и другими химическими соединениями, в свою очередь, служат пищей для более сложных организмов. Кроме того, ученые обнаружили формы жизни, процветающие в гейзерах на суше, в ледяных озерах, скрытых под слоем антарктического льда толщиной в сотни метров, в условиях повышенной кислотности, щелочности или радиоактивности, в соляных кристаллах и даже в микротрещинах горных пород глубоко в недрах Земли. «На нашей планете это обитатели узких ниш, – говорит Лиза Калтенеггер, работающая по совместительству в Гарварде и в Астрономическом институте Макса Планка в немецком Гейдельберге. – Однако легко представить себе, что на иных планетах именно они могут преобладать».

Единственный фактор, без которого, как утверждают биологи, жизнь в том виде, как мы ее знаем, существовать не может, это жидкая вода – мощный растворитель, способный доставлять питательные вещества во все части организма. Что касается нашей Солнечной системы, то после экспедиции межпланетной станции Mariner 9 на Марс в 1971 году мы знаем, что когда-то по поверхности Красной планеты текли потоки воды. Возможно, там существовала и жизнь, по крайней мере микроорганизмы – и не исключено, что кто-то из них мог уцелеть в жидкой среде под поверхностью планеты.

На относительно молодой ледяной поверхности Европы, спутника Юпитера, заметны трещины, свидетельствующие о том, что подо льдом волнуется океан. На расстоянии около 800 миллионов километров от Солнца вода должна была бы замерзнуть, но на Европе под воздействием Юпитера и нескольких других его спутников постоянно происходят приливно-отливные явления, из-за чего выделяется тепло, и вода под слоем льда остается жидкой. Теоретически там тоже может существовать жизнь.

В 2005 году межпланетный аппарат НАСА Cassini обнаружил водяные гейзеры на поверхности Энцелада, другого спутника Юпитера; исследования, проведенные Cassini в апреле этого года, подтвердили наличие подземных источников воды на этой луне. Однако ученые пока не знают, ни сколько воды скрывает ледяной щит Энцелада, ни насколько долго вода пребывает в жидком состоянии, чтобы послужить колыбелью жизни. На Титане, самом большом спутнике Сатурна, есть реки и озера, идут дожди. Но это – не вода, а жидкие углеводороды вроде метана и этана. Возможно, и там есть жизнь, но очень сложно предположить, какая она.

Марс гораздо больше похож на Землю и куда ближе к ней, чем все эти далекие спутники. И от каждого нового спускаемого аппарата мы ждем вестей об открытии там жизни. Вот и сейчас марсоход НАСА Curiosity исследует кратер Гейла, где миллиарды лет назад находилось огромное озеро, условия в котором, судя по химическому составу осадков, были благоприятны для существования микробов.

Конечно, пещера в Мексике – не Марс, а озеро на севере Аляски – не Европа. Но именно поиски внеземной жизни привели астробиолога НАСА Кевина Хэнда и членов его группы, в том числе Джона Лейкти, к озеру Сукок на Аляске. И именно за этим Пенелопа Бостон и ее коллеги раз за разом забираются в ядовитую пещеру Куэва-де-Виллья-Лус в окрестностях мексиканского города Тапихулапа. И там, и там ученые проверяют новые технологии поиска жизни в условиях, хотя бы отчасти похожих на те, в которых могут оказаться космические зонды. В частности, они ищут «следы жизни» – геологические или химические признаки, свидетельствующие о ее присутствии, сейчас или в прошлом.

Возьмем, например, мексиканскую пещеру. Орбитальные аппараты добыли сведения о том, что на Марсе есть полости. А вдруг там выжили микроорганизмы, после того как около трех миллиардов лет назад планета утратила атмосферу и воду на поверхности? Обитателям марсианских пещер пришлось бы найти иной, чем солнечный свет, источник энергии – так же, как и капле слизи, восхитившей Бостон. Ученые называют эти непривлекательные потеки снотитами по аналогии со сталактитами. [По-русски этот термин мог бы звучать как «соплиты». – Прим. переводчика.] В пещере их тысячи, длиной от сантиметра до полуметра, и выглядят они непривлекательно. На самом деле это биопленка – сообщество микробов, образующих вязкий, тягучий пузырь.

«Микроорганизмы, создающие снотиты, являются хемотрофами, – поясняет Бостон. – Они окисляют сероводород, единственный доступный им источник энергии, и выделяют эту слизь». Снотиты – лишь одно из местных сообществ микроорганизмов. Бостон, сотрудница Института горного дела и технологии Нью-Мексико и Национального исследовательского института пещер и карста, говорит: «В пещере существует около дюжины таких сообществ. Каждое имеет весьма характерный внешний вид. Каждое встроено в разные питательные системы». Одно из этих сообществ особенно интересно: оно не образует капель или пузырей, а покрывает стены пещеры узорами из пятен и линий, похожими на иероглифы.

Астробиологи назвали эти узоры биовермами, от слова «вермикуле» – орнамент из завитков. Оказывается, подобные узоры «рисуют» не только микроорганизмы, живущие на сводах пещер. «Подобные следы появляются в самых разных местах, где ощущается недостаток питательных ресурсов, – говорит Кит Шуберт, инженер и специалист по системам визуализации из Университета имени Бэйлора, который приехал в Куэва-де-Вилья-Лус, чтобы установить в пещере камеры для длительного мониторинга. – Корни травы и деревьев тоже создают биовермы в засушливых районах; то же самое происходит при образовании пустынных почв под воздействием бактериальных сообществ, а также лишайников».

Сегодня следы жизни, которые ищут астробиологи – это в основном газы, например кислород, которые выделяют живые организмы на Земле. Однако кислородные сообщества могут быть лишь одной из форм жизни среди очень многих. «Для меня, – говорит Пенелопа Бостон, – биовермы интересны тем, что, несмотря на их разные масштабы и характер проявления, эти узоры везде очень схожи». Бостон и Шуберт полагают, что появление биовермов, обусловленное простыми правилами развития и борьбы за ресурсы, может служить индикатором жизни, характерным для всей Вселенной. Более того, биовермы сохраняются и после гибели самих сообществ микроорганизмов. «Если марсоход обнаружит нечто подобное на сводах марсианской пещеры, – считает Шуберт, – сразу станет ясно, на чем стоит сосредоточиться».

Дрожащие от холода ученые и инженеры работают на озере Сукок с похожей целью. Один из исследуемых участков озера находится рядом с лагерем из трех маленьких палаток, который они окрестили «НАСАвиллем», другой – с одной-единственной палаткой – расположен примерно в километре от него. Поскольку пузыри метана, выделяющегося на дне озера, баламутят воду, на нем образуются полыньи, и, чтобы добраться на снегоходе от одного лагеря до другого, приходится выбирать кружной маршрут – иначе недолго провалиться под лед.

Именно благодаря метану в 2009 году ученые впервые обратили внимание на Сукок и другие близлежащие озера на Аляске. Этот газ выделяют метанобразующие бактерии, разлагая органические вещества, и, таким образом, он служит одним из признаков жизни, который могут обнаружить астробиологи. Однако метан выделяется, например, при вулканических извержениях, образуется естественным путем в атмосфере планет-гигантов, таких как Юпитер, а также в атмосфере спутника Сатурна Титана. Поэтому ученым важно отличать метан биологического происхождения от метана, поступающего из небиологических источников. Если объект исследований – покрытая льдом Европа, как у Кевина Хэнда, то озеро Сукок – далеко не самое худшее место для подготовки.

Хэнд, обладатель гранта National Geographic для молодых исследователей, отдает предпочтение Европе перед Марсом по одной причине. «Допустим, – говорит он, – мы отправимся на Марс и найдем под его поверхностью живые организмы, а у них – ДНК, как на Земле. Это может означать, что ДНК – универсальная молекула жизни, и это весьма вероятно. Но это может также означать, что жизнь на Земле и на Марсе имеет общее происхождение».

Точно известно, что обломки горной породы, выбитые с поверхности Марса ударами астероидов, долетали до Земли и падали в виде метеоритов. Вероятно, и обломки земных горных пород достигали Марса. Если внутри этих космических странников оставались живые микроорганизмы, которые смогли пережить путешествие, они породили бы жизнь на той планете, куда «приземлились». «Если выяснится, что марсианская жизнь в своей основе имеет ДНК, – говорит Хэнд, – то нам непросто будет определить, возникла ли она независимо от земной». Вот Европа находится куда дальше от нас. Если там обнаружат жизнь, это будет указывать на ее независимое происхождение – даже при наличии ДНК.

На Европе, несомненно, есть условия для жизни: много воды, а на дне океана, возможно, бьют горячие источники, которые могут поставлять питательные микроэлементы. На Европу иногда падают кометы, в которых содержится органическое вещество, также способствующее развитию жизни. Поэтому идея экспедиции к этому спутнику Юпитера кажется очень привлекательной. К сожалению, запуск космического аппарата, который, по оценкам Национального научно-исследовательского совета США, обошелся бы в 4,7 миллиарда долларов, сочли, хотя и научно оправданной, но слишком дорогой затеей. Группа сотрудников Лаборатории реактивного движения под руководством Роберта Паппалардо вернулась к чертежам и разработала новый проект: аппарат Europa Clipper будет облетать Юпитер, а не Европу, что позволит использовать меньше горючего и сэкономить деньги; при этом он 45 раз сблизится с Европой, чтобы ученые смогли разглядеть ее поверхность и определить химический состав атмосферы, а опосредованно – и океана.

По словам Паппалардо, новый проект обойдется менее чем в два миллиарда долларов. «Если эта идея будет одобрена, – говорит он, – мы смогли бы осуществить запуск в начале или в середине 2020-х годов». Ракетоноситель Atlas V поможет преодолеть путь до Европы за шесть лет, а если будет задействована новая система запуска, которую сейчас разрабатывает НАСА, – то всего за 2,7 года.

Наверное, Clipper не сможет отыскать жизнь на Европе, но соберет данные для обоснования следующей экспедиции, уже спускаемого аппарата, который возьмет пробы льда и изучит его химический состав, как делали марсоходы. Кроме того, Clipper выявит наилучшие площадки для посадки. Следующий шаг после спускаемого аппарата – направить на Европу зонд для изучения океана – может оказаться намного сложнее: все будет зависеть от толщины ледяного покрова. Ученые предлагают и запасной вариант: исследовать озеро, которое может находиться вблизи поверхности льда. «Когда наш подводный аппарат наконец появится на свет, – говорит Хэнд, – он будет "человеком разумным" в сравнении с тем "австралопитеком", которого мы испытываем на Аляске».

Аппарат, который опробуют на озере Сукок, ползет по нижней стороне 30-сантиметровой льдины, плотно к ней прижимаясь, а его датчики измеряют температуру, уровни солености и кислотности и другие параметры воды. Он, однако, не ищет живые организмы напрямую – это задача ученых, работающих на другом берегу озера. Один из них – Джон Приску из Университета Монтаны, в прошлом году открывший живых бактерий в озере Уилльянс, расположенном на глубине 800 метров под ледовым щитом Западной Антарктиды. Вместе с геобиологом Элисон Мюррей из Института исследований пустыни (Рино, штат Невада) Приску выясняет, какими должны быть холодноводные условия, чтобы поддерживать жизнь, и кто там обитает.

Каким бы полезным ни было изучение экстремофилов для понимания природы жизни за пределами нашей планеты, оно дает лишь земные подсказки для разгадки внеземных загадок. Однако вскоре у нас появятся и другие способы найти недостающие переменные уравнения Дрейка: НАСА запланировало на 2017 год начало работы телескопа – TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, или спутник для исследования проходящих экзопланет, то есть таких, которые проходят на фоне диска своей звезды). TESS будет не только искать планеты у ближайших к нам звезд, но и выявлять в их атмосфере следы газов, указывающих на присутствие жизни. Хотя и старичок Hubble позволил открыть облака на сверхземле – GJ 1214b.

Впрочем, увлечение поисками следов жизни и экстремофилов подразумевает, что на всех планетах молекулы живых существ содержат углерод, а вода служит растворителем. Это вполне допустимо, поскольку углерод и вода широко распространены во всей нашей галактике. Кроме того, мы просто не знаем, по каким признакам искать неуглеродную жизнь. «Если мы будем исходить из таких предпосылок в своем поиске, то можем вообще ничего не найти, – говорит Димитар Сасселов. – Необходимо представлять себе хотя бы некоторые из возможных альтернатив и понимать, на что еще нужно обратить внимание при изучении инопланетной атмосферы». Представим, например, вместо углеродного цикла, господствующего на Земле, цикл серный...

В ряду этих полуфантастических проектов совсем затерялась идея, с которой полстолетия назад начиналась астробиология. Фрэнк Дрейк, хотя официально и ушел на покой, продолжает поиск внеземных сигналов – поиск, который, увенчайся он успехом, затмит все остальное. Несмотря на то что финансирование SETI почти прекратилось, Дрейк полон энтузиазма в отношении нового проекта – поиска вспышек света, испускаемых внеземными цивилизациями вместо радиосигналов. «Нужно испробовать все варианты, – говорит он, – поскольку мы не очень представляем себе, чем и как на самом деле занимаются инопланетяне».

http://www.nat-geo.ru/article/5162-ohota-za-inoplanetnoy-zhiznyu/part/full/