Полювання за інопланетним життям
Живучим сьогодні на Землі, можливо, судилося дізнатися відповідь на одне з найдавніших питань, що цікавлять людство: чи ми самотні у Всесвіті?
Ледь робот-всюдихід, що причепився до підводного боку крижини на одному з озер Аляски, отримує сигнал з Лабораторії реактивного руху НАСА в Пасадіні, Каліфорнія, на ньому спалахує прожектор. «Спрацювало!» - вигукує інженер Джон Лейкті, який з'їжджався в наметі на льоду. Напевно, цю подію і не можна назвати великим кроком у технології, але як перший крок на шляху дослідження далекого супутника іншої планети - згодиться.
За сім тисяч кілометрів на південь, у Мексиці, геомікробіолог Пенелопа Бостон бреде по коліно у воді крізь непроглядну темряву печери. Як і інші вчені з її групи, Бостон натягнула потужний респіратор і тягне балон з повітрям, щоб не отруїтися сірководнем і чадним газом, які просочуються в гроти, а підземний струмок, що омиває її чоботи, несе сірчану кислоту. Раптово промінь ліхтаря Бостон освітлює витягнуту краплю густої напівпрозорої рідини, яка сочиться з пористої вапняної стіни печери. «Ну хіба не принадність?» - вигукує вона.
Можливо, в замерзлому арктичному озері і наповненій отруйними випарами тропічній печері вдасться виявити підказки, які допоможуть відповісти на одне з найбільш нерозв'язних і стародавніх питань на Землі: чи є життя на Марсі? (Ну чи хоч десь за межами нашої планети?) Життя інших світів, будь то в нашій Сонячній системі або поблизу інших зірок, цілком може таїтися під льодом, що покриває цілі океани, як на Європі, супутнику Юпітера, або в щільно закупорених і наповнених газом печерах, яких, ймовірно, чимало на Марсі. Якщо навчитися виявляти і визначати форми життя, що процвітають в подібних умовах на Землі, легше буде знайти щось подібне за її межами.
Важко сказати, в який момент пошук життя серед зірок перетворився з наукової фантастики на науку, але однією з ключових подій стала зустріч вчених у листопаді 1961 року. Організував її Френк Дрейк, молодий радіоастроном, захоплений ідеєю пошуку радіохвиль інопланетного походження.
«Тоді, - згадує Дрейк, якому зараз 84, - пошук позаземного розуму [англійською Search for Extraterrestrial Intelligence - SETI] був свого роду табу». Однак, заручившись підтримкою директора своєї лабораторії, Френк зібрав кількох астрономів, хіміків, біологів та інженерів, щоб обговорити питання, якими сьогодні займається астробіологія - наука про позаземне життя.
Дрейк хотів, щоб колеги підказали йому, наскільки розумно відводити значний час роботи радіотелескопа спробам почути радіопередачі інопланетян і який спосіб пошуку позаземного життя може виявитися найбільш багатообіцяючим. Ще його цікавило, скільки цивілізацій може налічувати наша галактика - Чумацький Шлях, і перед приходом гостей Френк написав на дошці рівняння.
Це знамените нині рівняння Дрейка визначає кількість цивілізацій, які ми можемо виявити, виходячи зі швидкості формування зірок у Чумацькому Шляху, помноженої на частку зірок з планетами, потім - на середню кількість планет з підходящими для життя умовами в одній зірковій системі (планети повинні бути розміром приблизно з Землю і перебувати в населеній зоні своєї зірки), потім - на частку планет, де життя могло виникнути, і на частку тих з них, де міг з'явитися розум, і, нарешті, - на частку тих, де розумні форми життя здатні досягти такого рівня розвитку, щоб посилати радіосигнали, і на середній час, протягом якого такі цивілізації продовжують їх посилати або взагалі існувати.
Якщо ж подібні суспільства схильні знищити себе в ядерній війні всього лише через кілька десятиліть після винаходу радіо, то, ймовірно, в будь-який конкретний момент часу їх кількість виявиться дуже невеликою.
Рівняння чудове, якщо не вважати однієї нестиковки. Ніхто не мав навіть смутного уявлення про те, чому рівні всі ці частки і числа, якщо не брати до уваги найпершу змінну, швидкість формування зірок, схожих на Сонце. Все інше було чистої води здогадками. Зрозуміло, якби вченим, які займаються пошуком життя в космосі, вдалося б засікти позаземний радіосигнал, всі ці допущення втратили б значення. Але, за відсутності такого, фахівцям з усіх змінних рівняння Дрейка належало знайти їх точні значення - з'ясувати, як часто у зірок сонячного типу бувають планети. Ну або розкрити таємницю виникнення життя на Землі...
Минула третина століття, перш ніж у рівняння вдалося підставити хоча б приблизні значення. У 1995 році Мішель Майор і Дідьє Кело з Женевського університету виявили першу планету в іншій зоряній системі сонячного класу. Ця планета - 51 Пегаса b, віддалена від нас на 50 світлових років, являє собою величезну газоподібну кулю розміром з пів-Юпітера; її орбіта проходить так близько від зірки, що рік на ній триває всього чотири дні, а температура на поверхні перевищує тисячу градусів Цельсія.
Ніхто й думки не допускав про те, що в таких пекельних умовах могло зародитися життя. Але відкриття навіть однієї-єдиної екзопланети вже було величезним успіхом. На початку наступного року група під керівництвом Джеффрі Марсі, в той час працював в Університеті Сан-Франциско, а тепер - у Берклі, знайшла другу екзопланету, а потім і третю - і греблю прорвало. Сьогодні астрономам відомо без малого дві тисячі різних екзопланет - і крупніше Юпітера, і менше Землі; ще кількох тисяч (більшість було виявлено за допомогою надчутливого космічного телескопа Kepler) чекають, коли відкриття підтвердиться.
Жодна з далеких планет не є точною копією Землі, проте вчені не сумніваються, що і таку вдасться знайти в найближчому майбутньому. Виходячи з даних по декількох більших планетах, астрономи підрахували, що у більш ніж п'ятої частини зірок сонячного типу є придатні для життя, схожі на Землю планети. Існує статистична ймовірність, що найближча з них знаходиться на відстані 12 світлових років від нас - за космічними мірками, на сусідній вулиці.
Це обнадіює. Втім, в останні роки мисливці за населеними світами зрозуміли, що абсолютно необов'язково обмежувати пошуки зірками, схожими на Сонце. "Коли я вчився в школі, - пригадує Давид Шарбонно, астроном з Гарварду, - нам казали, що Земля обертається навколо самої звичайної, середньостатистичної зірки. Але це не так ". Насправді 70-80 відсотків зірок Чумацького Шляху - маленькі, відносно холодні, тьмяні, червонуваті тіла - червоні і коричневі карлики.
Якби планета земного типу оберталася навколо такого карлика на правильній відстані (ближче до зірки, ніж Земля, щоб не обледеніти), умови для виникнення і розвитку життя могли б скластися і на ній. Крім того, планеті не потрібно бути розміром з Землю, щоб бути придатною для життя. «Якщо вам цікава моя думка, - говорить Дімітар Сасселов, ще один гарвардський астроном, - то будь-яка маса від однієї до п'яти земних ідеальна». Схоже, різноманітність придатних для життя зіркових систем куди багатша, ніж могли припустити в 1961 році Френк Дрейк і учасники його конференції.
І це ще не все: виявляється, перепад температур і різноманітність хімічних середовищ, в яких можуть процвітати організми-екстремофіли (буквально, «любителі екстремальних умов»), також ширше, ніж можна було уявити собі півстоліття тому. У 1970-ті роки океанографи, в тому числі працював за підтримки National Geographic Society Роберт Баллард, відкрили на океанському дні надгір'ячі джерела - чорні курці, поблизу яких існують багаті бактеріальні спільноти.
Мікроби, що харчуються сірководнем та іншими хімічними сполуками, в свою чергу, служать їжею для більш складних організмів. Крім того, вчені виявили форми життя, що процвітають в гейзерах на суші, в крижаних озерах, прихованих під шаром антарктичного льоду товщиною в сотні метрів, в умовах підвищеної кислотності, лужності або радіоактивності, в соляних кристалах і навіть в мікротріщинах гірських порід глибоко в надрах Землі. "На нашій планеті це мешканці вузьких ніш, - говорить Ліза Калтенеггер, що працює за сумісництвом в Гарварді і в Астрономічному інституті Макса Планка в німецькому Гейдельберзі. - Однак легко уявити собі, що на інших планетах саме вони можуть переважати ".
Єдиний фактор, без якого, як стверджують біологи, життя в тому вигляді, як ми його знаємо, існувати не може, це рідка вода - потужний розчинник, здатний доставляти поживні речовини в усі частини організму. Що стосується нашої Сонячної системи, то після експедиції міжпланетної станції Mariner 9 на Марс в 1971 році ми знаємо, що колись по поверхні Червоної планети текли потоки води. Можливо, там існувало і життя, принаймні мікроорганізми - і не виключено, що хтось із них міг уціліти в рідкому середовищі під поверхнею планети.
На відносно молодій крижаній поверхні Європи, супутника Юпітера, помітні тріщини, які свідчать про те, що під льодом хвилюється океан. На відстані близько 800 мільйонів кілометрів від Сонця вода повинна була б замерзнути, але на Європі під впливом Юпітера і декількох інших його супутників постійно відбуваються приливно-відливні явища, через що виділяється тепло, і вода під шаром льоду залишається рідкою. Теоретично там теж може існувати життя.
У 2005 році міжпланетний апарат НАСА Cassini виявив водяні гейзери на поверхні Енцелада, іншого супутника Юпітера; дослідження, проведені Cassini в квітні цього року, підтвердили наявність підземних джерел води на цій місяці. Однак вчені поки не знають, скільки води приховує крижаний щит Енцелада, ні наскільки довго вода перебуває в рідкому стані, щоб послужити колискою життя. На Титані, найбільшому супутнику Сатурна, є річки і озера, йдуть дощі. Але це - не вода, а рідкі вуглеводні на кшталт метану та етану. Можливо, і там є життя, але дуже складно припустити, яка воно.
Марс набагато більше схожий на Землю і куди ближче до неї, ніж всі ці далекі супутники. І від кожного нового апарата ми чекаємо звісток про відкриття там життя. Ось і зараз марсохід НАСА Curiosity досліджує кратер Гейла, де мільярди років тому знаходилося величезне озеро, умови в якому, судячи з хімічного складу опадів, були сприятливі для існування мікробів.
Звичайно, печера в Мексиці - не Марс, а озеро на півночі Аляски - не Європа. Але саме пошуки позаземного життя привели астробіолога НАСА Кевіна Хенда і членів його групи, в тому числі Джона Лейкті, до озера Сукок на Алясці. І саме за цим Пенелопа Бостон і її колеги раз по раз забираються в отруйну печеру Куева-де-Віллья-Лус в околицях мексиканського міста Тапіхулапа.
І там, і там вчені перевіряють нові технології пошуку життя в умовах, хоча б частково схожих на ті, в яких можуть опинитися космічні зонди. Зокрема, вони шукають «сліди життя» - геологічні або хімічні ознаки, що свідчать про її присутність, зараз або в минулому.
Візьмемо, наприклад, мексиканську печеру. Орбітальні апарати добули відомості про те, що на Марсі є порожнини. А раптом там вижили мікроорганізми, після того як близько трьох мільярдів років тому планета втратила атмосферу і воду на поверхні? Мешканцям марсіанських печер довелося б знайти інший, ніж сонячне світло, джерело енергії - так само, як і краплі сер, що захопила Бостон. Вчені називають ці непривабливі потеки снотитами за аналогією зі сталактитами. [По-російськи цей термін міг би звучати як «соплити». - Прим. перекладача.] У печері їх тисячі, довжиною від сантиметра до півметра, і виглядають вони непривабливо. Насправді це біоплівка - спільнота мікробів, що утворюють в'язкий, тягучий міхур.
"Мікроорганізми, що створюють снотити, є хемотрофами, - пояснює Бостон. - Вони окисляють сірководень, єдине доступне їм джерело енергії, і виділяють цей слиз ". Снотити - лише одна з місцевих спільнот мікроорганізмів. Бостон, співробітниця Інституту гірничої справи і технології Нью-Мексико і Національного дослідницького інституту печер і карста, каже: "У печері існує близько дюжини таких спільнот. Кожне має досить характерний зовнішній вигляд. Кожне вбудовано в різні поживні системи ". Одна з цих спільнот особливо цікава: воно не утворює крапель або бульбашок, а покриває стіни печери візерунками з плям і ліній, схожими на ієрогліфи.
Астробіологи назвали ці візерунки біовермами, від слова «вермікуле» - орнамент із завитків. Виявляється, подібні візерунки «малюють» не тільки мікроорганізми, що живуть на склепіннях печер. "Подібні сліди з'являються в різних місцях, де відчувається нестача поживних ресурсів, - говорить Кіт Шуберт, інженер і фахівець з систем візуалізації з Університету імені Бейлора, який приїхав до Куева-де-Вілья-Лус, щоб встановити в печері камери для тривалого моніторингу. Коріння трави і дерев теж створюють біоверми в посушливих районах; те ж саме відбувається при утворенні пустельних ґрунтів під впливом бактеріальних спільнот, а також лишайників ".
Сьогодні сліди життя, які шукають астробіологи - це переважно гази, наприклад кисень, які виділяють живі організми на Землі. Однак кисневі спільноти можуть бути лише однією з форм життя серед дуже багатьох. «Для мене, - говорить Пенелопа Бостон, - біоверми цікаві тим, що, незважаючи на їх різні масштаби і характер прояву, ці візерунки скрізь дуже схожі».
Бостон і Шуберт вважають, що поява біовермів, обумовлена простими правилами розвитку і боротьби за ресурси, може служити індикатором життя, характерним для всього Всесвіту. Більш того, біоверми зберігаються і після загибелі самих спільнот мікроорганізмів. «Якщо марсохід виявить щось подібне на склепіннях марсіанської печери, - вважає Шуберт, - відразу стане ясно, на чому варто зосередитися».
Тремтячі від холоду вчені та інженери працюють на озері Сукок зі схожою метою. Одна з досліджуваних ділянок озера знаходиться поруч з табором з трьох маленьких наметів, який вони охрестили «НАСАвіллем», інша - з одним-єдиним наметом - розташована приблизно в кілометрі від нього. Оскільки бульбашки метану, що виділяється на дні озера, баламутять воду, на ньому утворюються полині, і, щоб дістатися на снігоході від одного табору до іншого, доводиться вибирати кружний маршрут - інакше недовго провалитися під лід.
Саме завдяки метану в 2009 році вчені вперше звернули увагу на Сукок та інші прилеглі озера на Алясці. Цей газ виділяють метаноутворюючі бактерії, розкладаючи органічні речовини, і, таким чином, він служить однією з ознак життя, який можуть виявити астробіологи. Однак метан виділяється, наприклад, при вулканічних виверженнях, утворюється природним шляхом в атмосфері планет-гігантів, таких як Юпітер, а також в атмосфері супутника Сатурна Титана. Тому вченим важливо відрізняти метан біологічного походження від метану, що надходить з небіологічних джерел. Якщо об'єкт досліджень - покрита льодом Європа, як у Кевіна Хенда, то озеро Сукок - далеко не найгірше місце для підготовки.
Хенд, володар гранту National Geographic для молодих дослідників, віддає перевагу Європі перед Марсом з однієї причини. "Припустимо, - каже він, - ми вирушимо на Марс і знайдемо під його поверхнею живі організми, а у них - ДНК, як на Землі. Це може означати, що ДНК - універсальна молекула життя, і це дуже ймовірно. Але це може також означати, що життя на Землі і на Марсі має спільне походження ".
Точно відомо, що уламки гірської породи, вибиті з поверхні Марса ударами астероїдів, долітали до Землі і падали у вигляді метеоритів. Ймовірно, і уламки земних гірських порід досягали Марса. Якщо всередині цих космічних мандрівників залишалися живі мікроорганізми, які змогли пережити подорож, вони породили б життя на тій планеті, куди «приземлилися». "Якщо з" ясується, що у своїй основі марсіанське життя має ДНК, - каже Генд, - нам буде важко визначити, чи виникла вона незалежно від землі ". Ось Європа знаходиться куди далі від нас. Якщо там виявлять життя, це буде вказувати на її незалежне походження - навіть за наявності ДНК.
На Європі, безсумнівно, є умови для життя: багато води, а на дні океану, можливо, б'ють гарячі джерела, які можуть постачати поживні мікроелементи. На Європу іноді падають комети, в яких міститься органічна речовина, що також сприяє розвитку життя. Тому ідея експедиції до цього супутника Юпітера здається дуже привабливою.
На жаль, запуск космічного апарату, який, за оцінками Національної науково-дослідної ради США, обійшовся б у 4,7 мільярда доларів, визнали, хоча і науково виправданою, але занадто дорогою затією. Група співробітників Лабораторії реактивного руху під керівництвом Роберта Паппалардо повернулася до креслень і розробила новий проект: апарат Europa Clipper буде облітати Юпітер, а не Європу, що дозволить використовувати менше пального і заощадити гроші; при цьому він 45 разів зблизиться з Європою, щоб вчені змогли розгледіти її поверхню і визначити хімічний склад атмосфери, а опосередковано - і океану.
За словами Паппалардо, новий проект обійдеться менш ніж у два мільярди доларів. «Якщо ця ідея буде схвалена, - говорить він, - ми змогли б здійснити запуск на початку або в середині 2020-х років». Ракетоносій Atlas V допоможе подолати шлях до Європи за шість років, а якщо буде задіяна нова система запуску, яку зараз розробляє НАСА, - то всього за 2,7 року.
Напевно, Clipper не зможе відшукати життя на Європі, але збере дані для обґрунтування наступної експедиції, вже спускається апарата, який візьме проби льоду і вивчить його хімічний склад, як робили марсоходи. Крім того, Clipper виявить найкращі майданчики для посадки. Наступний крок після апарата - направити на Європу зонд для вивчення океану - може виявитися набагато складніше: все залежатиме від товщини крижаного покриву. Вчені пропонують і запасний варіант: досліджувати озеро, яке може знаходитися поблизу поверхні льоду. "Коли наш підводний апарат нарешті з" явиться на світ, - каже Генд, - він буде "людиною розумною" у порівнянні з тим "австралопітеком", якого ми відчуваємо на Алясці ".
Апарат, який випробують на озері Сукок, повзе по нижній стороні 30-сантиметрової крижини, щільно до неї притискаючись, а його датчики вимірюють температуру, рівні солоності та кислотності та інші параметри води. Він, однак, не шукає живі організми безпосередньо - це завдання вчених, які працюють на іншому березі озера. Один з них - Джон Пріку з Університету Монтани, що минулого року відкрив живих бактерій в озері Вілльянс, розташованому на глибині 800 метрів під льодовим щитом Західної Антарктиди. Разом з геобіологом Елісоном Мюрреєм з Інституту досліджень пустелі (Ріно, штат Невада) Приску з'ясовує, якими мають бути холодноводні умови, щоб підтримувати життя, і хто там мешкає.
Яким би корисним не було вивчення екстремофілів для розуміння природи життя за межами нашої планети, воно дає лише земні підказки для розгадки позаземних загадок. Однак незабаром у нас з'являться й інші способи знайти відсутні змінні рівняння Дрейка: НАСА запланувало на 2017 рік початок роботи телескопа - TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, або супутник для дослідження екзопланет, що проходять, тобто таких, які проходять на тлі диска своєї зірки). TESS буде не тільки шукати планети у найближчих до нас зірок, але і виявляти в їх атмосфері сліди газів, що вказують на присутність життя. Хоча і старий Hubble дозволив відкрити хмари на надземлі - GJ 1214b.
Втім, захоплення пошуками слідів життя і екстремофілів передбачає, що на всіх планетах молекули живих істот містять вуглець, а вода служить розчинником. Це цілком допустимо, оскільки вуглець і вода широко поширені у всій нашій галактиці. Крім того, ми просто не знаємо, за якими ознаками шукати невуглецеве життя. "Якщо ми будемо виходити з таких передумов у своєму пошуку, то можемо взагалі нічого не знайти, - говорить Дімітар Сасселов. - Необхідно уявляти собі хоча б деякі з можливих альтернатив і розуміти, на що ще потрібно звернути увагу при вивченні інопланетної атмосфери ". Уявімо, наприклад, замість вуглецевого циклу, що панує на Землі, цикл сірчаний...
У низці цих напівфантастичних проектів зовсім загубилася ідея, з якої півстоліття тому починалася астробіологія. Френк Дрейк, хоча офіційно і пішов на спокій, продовжує пошук позаземних сигналів - пошук, який, увінчайся він успіхом, затьмарить все інше. Незважаючи на те що фінансування SETI майже припинилося, Дрейк сповнений ентузіазму щодо нового проекту - пошуку спалахів світла, що випускаються позаземними цивілізаціями замість радіосигналів. «Потрібно випробувати всі варіанти, - говорить він, - оскільки ми не дуже уявляємо собі, чим і як насправді займаються інопланетяни».