Жизнь за пределами Земли стоит искать около звёзд-карликов типов G и K, а также в подледных океанах спутников планет. Такие выводы следуют из новой модели образования жизни, предложенной выпускником МГУ, ведущим научным сотрудником Лаборатории реактивного движения NASA Вячеславом Турышевым. В чем новизна исследования, поданного для публикации в журнал Discover Life, и как модель поможет человечеству в поисках жизни во Вселенной, Турышев рассказал RTVI.
— Многие ваши прошлые работы были посвящены расчетам вполне представимых вещей — солнечный парус, солнечная линза, аномалия «Пионеров»… Как пришла идея замахнуться на происхождение жизни?
Наша продолжающаяся работа с солнечной гравитационной линзой, с помощью которой мы впервые сможем рассмотреть экзопланету в деталях, релевантных признакам биосферы, вывела к вопросам: что произойдёт, когда придёт первый убедительный сигнал о планете с жизнью; как это изменит приоритеты науки и миссий; что вообще такое жизнь во Вселенной и «кто мы». Думаю, что на первом этапе эффект будет скорее концептуальным, чем социальным: никто не выйдет на улицы с транспарантами, но рамки обсуждения резко изменятся. Технически мы уже близки: каталоги экзопланет быстро растут, методы наблюдений зрелые, и вопрос жизни становится предметом количественного прогноза, а не философской догадки. Где жизнь могла стартовать — внутри Солнечной системы, на периферии Галактики, в «тихих окнах» галактической экологии?
Если жизнь произошла только на нашей планете, то это странно. Я думаю, что жизнь должна быть везде. Как мы везде находим экзопланеты, так логично ожидать и разнообразие биохимий. За последние десятилетия подтверждены тысячи экзопланет, включая твёрдотелые и находящиеся в зоне обитаемости (область потоков и температур, где жидкий растворитель возможен на поверхности). С учётом наблюдаемого разнообразия, жизнь как статистическое явление выглядит скорее закономерностью, чем исключением.
Профессионально меня интересуют два вопроса. Первый, что было до «Большого взрыва» (начальной горячей фазы расширения Вселенной), почему Вселенная стала такой, каким образом были заложены фундаментальные константы (например, постоянная тонкой структуры α, отношение масс электрона и протона, гравитационная постоянная G и другие), одна Вселенная или нет. Второй — возникновение жизни во Вселенной. Это случайность в процессе развития Вселенной, или закономерность?
Если фундаментальная физика во всей Вселенной одинакова, то и химические процессы будут воспроизводимы, поскольку химия — это физика электронных оболочек. Квантовые связи формируют молекулярные уровни, а значит, биологические процессы также укоренены в химии и, в конечном счёте, в фундаментальной физике. Ключевая идея в том, что на каждом уровне действует энергетический баланс, допускающий переход от стадии к стадии.
Я посмотрел на существующие работы по биологии, по генетике, и стало понятно, что многие учёные работают в рамках привычных моделей, а целостного представления о том, что такое жизнь и когда она формируется, нет. Отсюда вывод: начиная с фундаментальной физики, можно протоптать траекторию к формированию жизни как закономерного, а не случайного явления.
Какую задачу вы поставили перед собой в новой работе?
За последние 25 лет у нас появляется большой «зоопарк» экзопланет с более чем 8000 подтверждённых экзопланет, движущихся вокруг разных звезд с разной излучаемой энергией. Учитывая, что каждая звезда формирует вокруг себя особую планетарную динамику, и у неё есть свои энергетические особенности, то хорошо было бы понять, как это влияет на формирование биосфер на планетах этой звезды, и какая вообще жизнь может развиваться на конкретной планете. Тем самым, проясняется связь понятных нам физических процессов (потоки энергии, излучение, поверхностная гравитация), с химией, которая может на этой планете формироваться, и какая может быть биосфера на этой планете, чтобы хотя бы понимать, что можно ожидать от конкретного объекта, который мы найдем.
В нашей работе нам удалось связать естественные процессы «физика → химия → биология → генетика → экосистемы» в последовательность количественных порогов («гейтов»), где каждый шаг выразим неравенством в измеряемых величинах: энергетический избыток, скорости реакций/транспорта, верность копирования, пропускная способность «канала», замкнутость биогеохимических циклов и устойчивость климатической обратной связи. Вектор гейтов делает постановку фальсифицируемой: провал любого порога означает отсутствие перехода к следующему уровню.
Можно об этих гейтах подробнее?
Статья предлагает «лестницу» из 12 проверяемых ступеней (ворота/«гейты», от англ. gates — пороговые условия), которые последовательно ведут от фундаментальной физики и химии к появлению и долговечности биосферы на планете. Каждая ступень — это количественный порог: неравенство в измеряемых величинах (мощность доступной свободной энергии, скорости реакций и транспорта, надежность копирования информации, замкнутость биогеохимических циклов и устойчивость климатических обратных связей).
Если на определённой ступени есть запас прочности, система может перейти к следующей; провал на любой из ступеней означает, что жизнь либо не возникает, либо не удерживается. Такой подход делает тему «происхождения и устойчивости жизни» фальсифицируемой и связанной с наблюдаемыми признаками на экзопланетах.
Под «гейтами» понимаются проверяемые пороги в измеряемых величинах (энергия, кинетика, информационные потоки и циклы), задающие переход между уровнями «физика → химия → биология → экосистемы». Практически это «окна допустимости»: есть запас — переходим дальше; нет — процесс гаснет.
С чего начинаются первые «ворота»?
С фундаментальной физики: константы и ядерные резонансы задают энергетические масштабы химии (энергии связей, избирательность парных взаимодействий, стоимость стирания/проверки информации). Дальше — галактическая экология (металличность, окна «тишины» от гамма-всплесков, время «без катастроф»), затем протопланетный диск, сборка планеты и удержание летучих веществ, окно облучения без «разогрева» и «глубокой заморозки». Только после этого осмысленно говорить о питании пребиотической сети, верности копирования и дарвиновской динамике.
Есть исследования, допускающие, что в прошлом, например, постоянная тонкой структуры во вселенной была иной… Мы считаем такие теории экзотикой?
Да, это допустимая версия. И действительно учёные ищут изменения фундаментальных констант со временем, ведь в нашей стандартной физике они — константы. Но есть определённые теории гравитации, которые подсказывают изменения значений фундаментальных констант на космологических масштабах времени. И мы занимаемся проведением экспериментов, чтобы найти ту самую переменчивость этих констант: её обнаружение означало бы наличие нового взаимодействия, которое пока нам неизвестно.
Каковы следующие ворота?
…Затем атомы начинают объединяться, формируются условия для первичной химии, тем самым способствуя возникновению энергии, на основе которой строится всё остальное. Формируются астрофизические условия, при которых зарождаются звезды первого поколения, потом второго… На определённых этапах эволюции из звёзд 1-го поколения возникают сверхновые звезды: из лёгких элементов рождаются тяжёлые, которые нужны для формирования жизни. Ведь мы созданы из космической пыли, которая была наработана взрывами сверхновых звёзд.
Так мы переходим ко вторым воротам, где формируются первичные скопления звезд, галактики и первые планеты. Взрывы сверхновых приводят к всплескам гамма- и рентгеновских лучей, и мы понимаем, что наша жизнь формировалась далеко не в центре нашей галактики.
Почему?
Жизнь не могла бы возникнуть близко к сверхмассивной чёрной дыре в центре Млечного Пути, так как в этом регионе интенсивное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение стерилизует среду. Земля находится значительно дальше — в спиральном рукаве, примерно на 8 килопарсеках (1 кпк ≈ 3,09 × 10^19 м) от центра. Чем ближе к центру, тем выше интегральная доза излучения и частота транзиентов (вспышечных процессов); биология земного типа при таких условиях неустойчива.
Скорее всего, жизнь была образована ближе к периферии, где условия более-менее стабильные и не так много лишнего излучения. Хотя там взрывы сверхновых тоже происходят: с одной стороны, они производят огромное количество нового материала — и это хорошо, но, с другой стороны, они выжигают всё вокруг себя. По этой причине в тех звёздных скоплениях, где идёт звездообразование и взрывы сверхновых, жизни, скорее всего, тоже нет. Жизнь рациональнее искать в «скучных» динамически спокойных местах — таких, как Солнечная система, где мы находимся на планете Земля, где и тепла достаточно, и орбита круговая, и галактические энергетические условия совместимы с биологией.
При этом зарождение жизни должно происходить не сейчас, а на шкалах времени в миллиарды лет. Ведь возраст Земли — 4,5 млрд лет, однако уже в первые ~500 миллионов лет после её формирования на ней уже были примитивные одноклеточные организмы.
В целом первые пять ворот связаны с астрофизикой, формированием достаточного количества элементов, которые могут оказаться на планете. Эти элементы связаны со звёздной динамикой, со сверхновыми и с условиями на планете, которые позволяют удерживать эти первичные элементы. Удержание элементов критично: если бы масса нашей планеты была чуть больше, то мы были бы маленькими, кряжистыми, чтобы сопротивляться гравитации, имели бы огромное сердце, чтобы качать кровь от пяток к голове. А если бы наша планета была очень маленькой, она бы просто не удержала атмосферу. То есть, грубо говоря, существуют некие правильные размеры планеты, которые способны удерживать ключевые элементы, необходимые для создания жизни.
После формирования планеты начинается первичная геофизика и возникновение свободной энергии, которая связана с геотермальными процессами и вулканической деятельностью. При этом важно, что значительная часть воды на нашей планете, вероятно, была доставлена малыми телами в период формирования Земли — астероидами и кометами с периферии Солнечной системы.
Что дальше на планете?
Дальше для зарождения жизни необходимо преодолеть несколько «шлюзов»:
— Энергетический «шлюз». Полезной энергии должно хватать не только на поддержание внутренних градиентов и базового «хозяйства», но и на развитие.
— «Шлюз» питательной сети. Поступление строительных блоков и ионов должно покрывать потери и обеспечивать нужные концентрации для ключевых функций — полимеризации, роста мембраны, катализа. Иначе система хронически «голодает» и деградирует.
— «Шлюз» верности наследования. Информация при копировании (например, последовательности полимеров) должна сохраняться достаточно точно, чтобы не распался «язык» инструкций. Повышение точности почти всегда требует дополнительной энергии на проверки и исправления — это обмен «энергия за надёжность».
— «Шлюз» контейнера. Нужны локализация и выборочная проницаемость: питание должно успевать использоваться внутри, а ценные молекулы — не утекать наружу. Это обеспечивают мембраны, поры, минеральные матрицы. Без таких барьеров процессы «коротятся» диффузией и не успевают давать полезный результат.
— «Шлюз» дарвиновской динамики. Популяция должна не просто выживать, но и прирастать; при этом отбор должен быть сильнее случайных колебаний. Тогда полезные изменения закрепляются, а не теряются в шуме. И другие шлюзы
В сумме: жизнь держится на балансе энергии, вещества, барьеров и информации. Стоит провалиться одному «шлюзу» — и вся система начинает рассыпаться.
А вы допускаете, что жизнь, даже похожая на земную, могла и может зарождаться в экзотических условиях, и даже на планетах без поверхности?
Да, это возможно. Это один из вариантов. Вполне возможно, что жизнь зародилась «с нуля» не на Земле. По одной из гипотез панспермии жизнь могла быть привнесена фрагментами астероидов из более активных областей Галактики, а затем оказаться в протопланетном диске — в первичном «супе» Солнечной системы. Речь не о готовых организмах, а о переносе устойчивых биогенных молекул и предбиотических комплексов.
Таким образом, возможны перенос биогенных молекул/кластеров, подлёдные хемосинтетические экосистемы, криосолвенты. Но форма не отменяет общей математики гейтов: энергетика—кинетика—информация должны проходить те же неравенства, только с другими численными окнами (температура, растворитель, проницаемости).
Какие следующие ворота?
Дальше на планете начинается пребиотическая химия («пребиота» — сеть реакций без ещё устойчивой наследственности), первые попытки формировать длинные кластеры молекул. Первая пребиота получается на пятом уровне. Потом начинается перекодирование и хранение информации в полимерах (например, РНК-подобных), она начинает эволюционировать. При этом необходимо надёжное копирование информации: суммарная ошибка при копировании полимеров должна быть ниже так называемого «порога Эйгена» (Манфред Эйген, Нобелевский лауреат), иначе наследственная информация расползается.
После девятого гейта формируются биосферы, когда разные организмы, взаимодействие разных организмов… Возникает устойчивая «плёнка жизни», которая не только производит новую биомассу, но и замыкает основные циклы элементов (C/N/P/S), поддерживая положительную чистую первичную продукцию (ЧПП) и стабилизируя климат через обратные связи. Иными словами, биология начинает «работать на масштабе планеты», а не только в локальных нишах.
Подобно тому, как жизнь на Земле, и человек формирует среду под себя?
Да, жизнь стабилизировала климат, и мы участвуем в этом процессе. Почему это интересно? Обсуждая новые экзопланеты, важно понять, насколько устойчивы механизмы формирования биосферы и что именно мы сможем проверить наблюдательно; цель — выстроить общий язык между дисциплинами и карту решающих тестов. Это попытка соединить учёных разных направлений, которые могли бы иметь общий диалог, чтобы было понимание, что же в итоге мы определили, что мы будем делать, найдя жизнь на тех экзопланетах.
Эти 12 гейтов чем-то напомнили множители из уравнения Дрейка… Правда, там большинство множителей — астрофизические; а здесь в каждом случае пришлось быть и астрофизиком, и космологом, и химиком, и геологом, и генетиком. Похоже ли это на „теорию всего“?
Похоже по духу, но иное по сути: вместо множителей-частот — пороговые неравенства с измеримым «запасом прочности». Это делает схему проверяемой и опровержимой — и в реакторах, и по данным экзопланет.
Эта модель фальсифицируема, можно экспериментами подтвердить или опровергнуть ее выводы?
Да. Каждый гейт сопровождается лабораторными тестами и астрономическими наблюдениями. На основании нашего подхода мы можем понять, как формируется экосистема какой-то экзопланеты, зная энергетические возможности её звезды, возраст и окружение, и оценить, как жизнь могла эволюционировать там. Уже сейчас в лаборатории можно смоделировать определённый состав и воспроизвести условия на конкретной экзопланете. Критерии фиксации результата — пороговые неравенства «прошёл/не прошёл»: мощность, скорости, утечки, верность копирования.
Проследить циклы воспроизводимости различных длинных молекул при условиях на какой-то планете. И исходя из этого теорию можно либо фальсифицировать, либо поддержать. Важный момент — задавать количественные пороги как критерии «прошёл/не прошёл»: мощность, скорость, утечки, верность копирования.
Каковы же выводы? Среди них есть указание на то, в каких мирах предпочтительнее искать жизнь?
В статье мы рассмотрели и Титан, и Землю, примеры экзопланет. Вывод такой — «покажи мне планету, и я скажу, какие классы биосфер там возможны и что проверить наблюдательно».
Какие миры «в приоритете»?
1) Планеты океанического типа у звёзд классов G/K. У таких звёзд спектр и световой поток дают «широкое окно» для фотосинтеза и реалистичный энергетический бюджет; на водных мирах выше шанс замыкать биогеохимические циклы. Что там ищем? Химический дисбаланс в атмосфере (например, совместное присутствие кислорода и метана при низком оксиде углерода), сезонные колебания газов и «красную кромку» — характерный скачок отражения растительности в ближнем ИК.
2) Планеты у активных M-карликов. Молодые M-звёзды часто облучают планеты жёстким ренгеном и ультрафиолетом, из-за чего атмосфера и вода могут ускользать. Если жизнь там возможна, пигменты, вероятно, смещены в ближний инфракрасный свет (звезда светит «краснее»), а метаболизм может идти без кислорода — на железе и сере. Что проверяем: наличие атмосферы и воды, историю облучения, признаки атмосферного «убегания».
3) Подлёдные океаны. Под ледяной корой океан способен существовать очень долго. Энергия для химии поступает за счёт радиолиза (разложение воды излучением) и серпентинизации (реакции воды с породой). Чистая первичная продукция там невысока, но стабильна. Что там ищем? Химический дисбаланс пар окислитель/восстановитель и следы выбросов воды и льда через трещины.
Модель предполагает какие-то формы жизни — условно, черви, микробы, грибы и т.д.?
На Земле огромное количество видов организмов вымерло миллионы лет назад. Поэтому модель описывает, какие могли быть вариации жизни, в частности, на Земле. То есть она даёт ответ не про червей, а о том, какого типа стабильные биологические компоненты могут сформироваться на планете.
То есть мы должны скармливать модели параметры экзопланет, и что получим на выходе?
Например, модель предсказывает формирование океанов с большим количеством кислорода на планетах около звёзд-карликов типов G и K (солнечный тип и немного холоднее), где фотонный поток и спектральное окно позволяют кислородный фотосинтез.
Можно показать, что вокруг М-карликов нельзя ожидать большого количества кислорода, и там очень мала вероятность того, что будут проходить какие-то биологические процессы, поддерживающие сложные окислительные метаболизмы; зато в подлёдных океанах тел наподобие наших Энцелада или Европы в Солнечной системе возникает очень хорошая геотермальная энергия, которая стимулирует формирование новой жизни, создаются условия, где может быть биосфера. Речь идёт не о видах, а о классах метаболических стратегий и диагностик, которые можно искать.
Модель не заходит в область предсказания, кто там может быть — прямоходящие, плавающие и т. д., это не про морфологию. Мы говорим о том, где есть стабильные условия, которые могут поддерживать биологию.
Значит это пока игра в “холодно-горячо”, и модель не дает количественных или сравнительных оценок вероятности нахождения жизни в разных мирах?
Да, пока это предварительная приоритизация по запасу прохождения гейтов. Ответить на эти вопросы планируется в моей следующей работе, там будет некая более предсказательная оценка в числах — с ранжированием целей по «запасам прочности» прохода ворот.
Модель указала на какие-то конкретные экзопланеты, особенно привлекательные с точки зрения жизни?
Из планет, открытых в планетной системе TRAPPIST-1, есть несколько особенно интересных — в «середине» зоны обитаемости (например, планеты e и f), которые нужно смотреть. Наша соседка экзопланета Proxima b тоже вполне интересная. Там возникает вполне возможная биология. С ней нужно разобраться: если планета не находится в состоянии приливной синхронизации или имеет эффективный перенос тепла, то ситуация совершенно нормальная, на ней вполне возможна нормальная жизнь, поскольку там происходит перемешивание атмосферы. Даже при синхронизации важны альбедо, парниковые газы и циркуляция — это можно оценивать наблюдательно.
При этом вы исходите из того, что ищете жизнь, сформировавшуюся по земным законам, на основе углерода? Нет ли тут некой землецентричности? Допускается ли жизнь не на основе углерода, а кремния например?
Нет требования «углерод+вода» как догмы. Но по астрофизике и химии пара углерод+вода дают широкий коридор значений доступных энергий и согласуются с наблюдаемыми запасами.
Формы жизни могут быть совершенно разные. Но формирование кремния во Вселенной не так сильно выражено, а химия кремния в условиях планет, как правило, менее гибка для информационных и каталитических полимеров; эта химия энергетически менее выгодна для информационных/каталитических полимеров в планетных условиях. Поэтому, когда мы оцениваем вероятность формирования различных других элементов, то видим, что жизнь кремниевая возможна, но вероятность её не столь высока.
Вопросами разумности эта модель пока не оперирует?
Мы ещё не знаем, что такое разумность. Разумность означает быть самоосознанным по отношению к среде, где ты находишься. Что такое сознание? Это даже философский вопрос, на который пока сложно ответить. Сама «лестница ворот» останавливается раньше — на уровне устойчивой биосферы.
Может ли эта модель повлиять на будущие космические миссии, выбор целей для наблюдений экзопланет?
Конечно, если сейчас нам известно чуть больше 8 тысяч экзопланет, то в ближайшее время число известных объектов может вырасти до 50 тыс. и больше. Возникает сравнительная планетология, сравнительная экзопланетология. И чтобы понимать, какая из этих экзопланет более интересна, возможно, появятся новые аргументы — прямо в форме «прошёл/не прошёл» по ключевым воротам: удержание летучих, энергетический бюджет, предбиотические источники, замкнутость циклов.
Каков итог? Проблема сведена к фазовой диаграмме с «запасами»: если все гейт-неравенства имеют запас, мир попадает в «фазу биосферы»; если любой порог провален — либо абиогенез не стартует, либо биосфера не держится. Практически это означает план наблюдений, нацеленный на «узкие места» гейтов и их фальсификаторы. Фокус приоритизации — искать именно «узкие места» по гейтам и пытаться их опровергнуть наблюдательно.
