Воображаемая жизнь

Для начала, позвольте сказать пару слов для объяснения. Когда метеорит падает где-нибудь в ледниках вокруг Алан Хиллс, он вмерзает в лёд. Когда ледник течёт, он уносит метеорит с собой. Когда ледник поднимается на невысокие холмы, лёд стирается ветром (технический термин для этого — абляция), оставляя после себя метеорит. Таким образом, вы можете считать ледяные поля своего рода конвейерной лентой, которая ловит метеориты и доставляет их на вершину хребта.

В 1984 году учёные, катавшиеся на снегоходах по ледникам, подобрали метеорит. Он не выглядел впечатляюще — размером с грейпфрут, весил около 4 фунтов (1,8 кг) и был покрыт почерневшим слоем, который появляется на метеоритах, когда они проносятся сквозь атмосферу Земли. Он получил название ALH84001: ALH от Алан Хиллс и 84001, потому что это был первый метеорит, найденный в 1984 году. Потом его положили куда-то в ящик стола и забыли на десять лет.

Однако, когда его, наконец, проанализировали в середине 1990-х годов, оказалось, что ALH84001 — редкая находка. Во-первых, газ, заключённый во внутренних пузырьках, соответствовал химическому составу атмосферы Марса, показывая, что метеорит происходит с этой планеты. Само по себе это не так уж необычно — мы обнаружили более 100 кусков породы, которые были выбиты с поверхности Марса астероидами и оказались на Земле. А вот возрастные характеристики ALH84001 действительно привлекали внимание. Радиометрическое датирование установило, что порода образовалась около 4 миллиардов лет назад, когда на Марсе было много жидкой воды. Метеорит был выброшен с Марса около 17 миллионов лет назад в результате падения метеорита, блуждал по орбите вокруг Солнца, и в итоге упал в Антарктиде около 13 000 лет назад. Другими словами, ALH84001 сформировался в то время, когда на Марсе могла развиться жизнь. Это молчаливый памятник тому периоду, когда сосед нашей планеты был очень похож на Землю.

В 1996 году группа учёных НАСА во главе с астрономом Дэвидом Маккеем (1936-2013) сделала удивительное заявление. После изучения ALH84001 они утверждали, что метеорит содержал окаменелости живых существ, которые обитали на Марсе. В основе их утверждения лежали четыре открытия:

• наличие в метеорите органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ)

• физическое сходство минеральных структур метеорита с окаменелостями земных микробов

• сходство комбинаций минералов в метеорите с теми, которые образуют земные бактерии

• наличие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, подобных тем, которые встречаются в некоторых земных микробах

Трудно переоценить то влияние, которое оказало это утверждение на учёных и общественность. Оно даже стало причиной заявления президента Билла Клинтона в Белом доме, и, возможно, повлияло на создание нынешней программы НАСА в области астробиологии. Но шло время, и начали всплывать неизбежные контраргументы.

Например, отмечалось, что молекулы ПАУ встречаются во Вселенной повсеместно и обнаруживаются во многих местах — таких, как кометы и даже межзвёздное пространство, где жизни нет. Что касается физического сходства «окаменелостей», то было отмечено, что формы некоторых известных небиологических минеральных образований на Земле имитируют формы клеток. Кроме того, образования из метеорита, объявленные биологическими, были примерно в 100 раз меньше, чем те, что обнаруживаются в любых известных клетках на Земле. На самом деле они должны были бы быть примерами нового класса жизни, известного как нанобактерии — это нечто теоретически возможное, но так никогда и не обнаруженное. Наконец, было высказано предположение, что некоторые из помянутых учёными комбинаций минералов были результатом процедур, используемых при подготовке образцов для исследования в электронных микроскопах.

Некоторое время самым сильным аргументом в пользу утверждения о марсианских окаменелостях оставались цепочки магнетита. Земные бактерии используют подобные цепочки, чтобы различать «верх» и «низ» в мутной воде пруда, следуя линиям магнитного поля. Поскольку у Марса в начале его жизни, возможно, было магнитное поле (сейчас его нет), такая адаптация имела бы смысл на Красной планете. Однако учёные показали, что кристаллы магнетита того типа, который был обнаружен в ALH84001, могли появиться в результате небиологических процессов, связанных с прохождением метеорита сквозь атмосферу Земли до его столкновения с поверхностью.

Итак, мы снова сталкиваемся с неоднозначными доказательствами, вызывающими лишь разочарование. Структуры в ALH84001 могли быть марсианскими окаменелостями, но они также могли быть результатом небиологических процессов. И мы опять не можем сделать определённый вывод о текущем или былом присутствии жизни на внеземной планете, которую мы исследовали тщательнее всего. Как же тогда мы будем искать жизнь на всех известных нам экзопланетах?

Спектроскопия как последний довод

В самом начале 19 века французский философ Огюст Конт (1798-1857), выделивший область науки, которую он назвал социальной физикой, а мы называем социологией, составил список научных проблем, которые никогда не будут решены. Примечательным дополнением этого списка был химический состав звезд.

Рассуждения Конта были просты. В его время единственным способом определения химического состава какого-либо материала было подвергнуть его анализу в лаборатории. Поскольку мы никогда не сможем положить кусок «звёздного вещества» на лабораторный стол, рассуждал Конт, мы никогда не сможем узнать, из чего сделана звезда. Можно даже представить себе, как он говорит, что мы никогда не сможем узнать химический состав экзопланеты, поскольку не можем отправиться туда.

Однако в 1859 году два немецких учёных, каждый из которых был известен главным образом своими прочими достижениями, встретились в лаборатории в Гейдельберге и изменили наш подход к анализу Вселенной. Густав Кирхгоф (1824-77) хорошо известен студентам-физикам как автор свода законов, позволяющих анализировать сложные электрические цепи, а Роберт Бунзен (1811-99) изобрел бунзеновскую горелку, которая есть в любой самой простой химической лаборатории. Они ввели в употребление процесс, в ходе которого свет от нагретого образца чистого материала пропускался через стеклянную призму для разделения цветов. Вместо того, чтобы получить ожидаемый непрерывный спектр (как радуга) они обнаружили, что каждый химический элемент даёт характерный, уникальный и хорошо распознаваемый набор определённых цветов. Эта совокупность называется спектром излучения, и поглощению фотонов определённых энергий соответствует определённый спектр. Раздел науки, посвященный изучению этих спектров, называется спектроскопией.

На самом деле тот факт, что химические элементы излучают свет определённого цвета, вам знаком. Вы когда-нибудь замечали, что некоторые уличные фонари излучают желтоватый свет? Такие натриевые лампы часто используются в районах, где часто бывают туманы, потому что их цвет обеспечивает наилучшую видимость в таких условиях.

Поскольку каждый химический элемент излучает свет с характерным набором цветов, если мы увидим этот оптический «отпечаток» в свете от какого-то источника, то мы можем быть уверенными, что источник содержит соответствующий химический элемент. Смысл этого так называемого спектроскопического анализа заключается в том, что неважно, насколько удалён источник света от детектора. Это может быть несколько дюймов или же несколько миллиардов световых лет. Как только спектроскопический «отпечаток» сформируется, он останется в луче света навсегда.

Здесь есть один забавный побочный эффект: в наше время сложный спектроскоп может поставляться с собственным встроенным компьютером и стоить много тысяч (и даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен построили первый спектроскоп из пары старых подзорных труб и (хотите — верьте, хотите — нет) коробки из-под сигар.

Лишь в начале 20-го века учёные, создавшие дисциплину под названием квантовая механика, выяснили, наконец, каким образом атомы образуют спектры. Вот упрощённая картина атома, которую они разработали: в отличие от планет в солнечной системе, электроны в атоме не могут иметь орбиты в произвольных местах. Их можно найти только на определённых расстояниях от ядра — на так называемых энергетических уровнях. Каждый из них обладает определённой энергией, поэтому, когда электрон перемещается между ними, атом будет излучать или поглощать определённое количество излучения, соответствующее разнице. Он испускает излучение, если электрон приближается к ядру, и поглощает излучение, если электрон удаляется от ядра. Поскольку атомы разных химических элементов обладают уникальным расположением энергетических уровней, каждый химический элемент поглощает и испускает излучение с уникальным набором частот — вот, что создаёт спектр.

Однако спектры излучают не только атомы. Любая система, в которой могут присутствовать разные энергетические уровни, может генерировать характерный «отпечаток». Например, сложные молекулы могут вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждый из этих режимов порождает характерный спектр. Поэтому можно подумать, что наука спектроскопия даёт нам идеальный способ поиска молекул, производимых живыми системами на далёких экзопланетах. Достаточно просто найти характерные следы биологических молекул в спектрах экзопланет, и мы получим неопровержимые доказательства существования жизни.

Давайте же взглянем на Землю: на химический состав её атмосферы оказало сильное влияние присутствие жизни. Вообще, среди всех многих сотен известных атмосферных газов лишь очень немногие не подвержены влиянию присутствия живых существ. Гелий, например, образовался в результате Большого взрыва и составляет около 1 процента атмосферы. Аргон присутствует в ещё меньших количествах; он образуется в результате радиоактивного распада калия глубоко в недрах Земли. Но в остальном живая природа образует, разрушает или видоизменяет практически каждый из газов атмосферы.

Кислород, которым мы дышим, образовался в результате фотосинтеза, в ходе которого растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в углеводы. Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет биологический молекулярный кислород — два атома кислорода, тесно связанных друг с другом, — на отдельные атомы кислорода. Затем они вступают в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона (O3). При дыхании и разложении организмов образуется углекислый газ — в противоположность процессу фотосинтеза. Другие газы, вроде сероводорода, выделяют сине-зелёные водоросли. А некоторые виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. Жизнь «проявляет» себя в составе земной атмосферы. Мы называем эти произведённые биологическим путём химические вещества биомаркерами или биосигнатурами жизни на Земле.

Можно подумать, что было бы легко просто найти такие химические вещества в атмосферах экзопланет с использованием техники спектроскопии, чтобы установить, есть ли там жизнь. Но при таком подходе мы сталкиваемся с тремя сложностями.