Вчені знайшли новий спосіб відрізняти живе від неживого у космосі

Мрія людства про зустріч із братами за розумом чи навіть виявлення ознак життя поза Землі стара як світ. І якщо раніше це була область фантастів, то сьогодні, з появою надпотужних інструментів на кшталт космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), вона перейшла у площину суворої науки. Але ось невдача: як відрізнити планету, що кишить мікробами або навіть покриту містами, від неживого каменю, якщо все, що у нас є, це слабке світло, що пройшло через її атмосферу? Виявляється, просто знайти «знайомий» газ — це лише половина справи.

А чи є життя на Марсі? Старе питання – нові складності

Уявіть, що інопланетні астрономи направили телескопи на Землю. Що б вони шукали? Швидше за все, кисень. Адже саме цей газ у нашій атмосфері — побічний продукт фотосинтезу, глобального процесу, яким зайняті земні рослини та деякі бактерії. Логічно? Цілком. Ось тільки така прямолінійність може зіграти злий жарт, коли ми самі дивимося на далекі екзопланети.

Довгий час вважалося, що виявлення певних газів, таких як кисень або метан, може служити пістолетом, що «димиться» — незаперечним доказом наявності життя. Метан, наприклад, Землі активно виробляють живі організми, від корів до мікробів-метаногенів у болотах. Однак, як слушно зазначають вчені, метан може утворюватися і в результаті суто геологічних процесів — скажімо, при взаємодії води з певними породами (серпентинізаційний процес). І ось уже картинка стає не такою однозначною. Знайшли метан? Вітаємо, ви знайшли… або життя, або цікаву геологію. А може, й те, й інше разом!

То що, кисень — це «золотий стандарт»? Не зовсім. Хоча на Землі він пов’язаний з життям, на інших планетах з іншими хімічними умовами та геологічною історією кисень теоретично може накопичуватися і без участі живих істот, наприклад, за інтенсивного ультрафіолетового випромінювання зірки, що розщеплює воду. Виходить, пошук одиночних «маркерів життя» — це як намагатися судити про смак складної страви по одному інгредієнту. Можна, але ризикуєш сильно помилитися.

Один у полі не воїн: чому окремі гази – не панацея

Проблема з пошуком «чарівної молекули», яка б кричала «Життя тут!», полягає в тому, що природа, як земна, так і інопланетна, куди винахідливіша за наші спрощені моделі. Це підштовхнуло дослідників, таких як Тереза ​​Фішер, Естель Жанін та Сара Імарі Вокер, до розробки більш тонкого підходу. Їхня ідея проста і елегантна: замість полювати за окремими «солістами», потрібно слухати весь «хімічний оркестр» атмосфери.

Вони пропонують аналізувати звані мережі хімічних реакцій (СХР). Що таке? Уявіть собі складну павутину, де вузли – це різні хімічні сполуки в атмосфері, а нитки – реакції, які перетворюють одні речовини на інші. Аналізуючи структуру цієї мережі, її динаміку та взаємозв’язку між компонентами, можна отримати набагато більше інформації, ніж просто констатуючи наявність чи відсутність якогось одного газу.

По суті це спроба зрозуміти, як працює вся «кухня» планетарної атмосфери. Які там домінують процеси? Чи є якісь незвичайні реакції, які важко пояснити без втручання живих організмів чи навіть технологій?

Мережевий детектив: розбираємо атмосферу по поличках

Як це працює на практиці? Вчені змоделювали близько 30 000 різних варіантів атмосфер, схожих на земні, але у різних етапах її еволюції.

1. «Архейська Земля»: Це моделі планет, що нагадують нашу Землю 2-4 мільярди років тому. Тоді кисню в атмосфері майже не було, натомість вистачало метану та аміаку. Океан покривав більшу частину поверхні, а життя було представлено переважно примітивними бактеріальними колоніями. Такі умови можуть існувати на деяких екзопланетах, і вони можуть бути будинком для найпростіших форм життя.
2. «Сучасна Земля»: Тут моделювалися атмосфери, близькі до нашої нинішньої — азотно-кисневої, але з додаванням «техносигнатур». Як такий був обраний хлорфторвуглець CFC-12 — газ, який на Землі вироблявся промисловістю (і від якого ми зараз активно відмовляємося через його руйнівний вплив на озоновий шар). Його присутність в атмосфері іншої планети майже напевно вказувала на наявність технологічно розвиненої цивілізації.

Дослідники проаналізували мережеві властивості цих змодельованих атмосфер. І ось що цікаво: виявилося, що мережевий аналіз здатний розрізняти атмосфери з біологічними джерелами газів, абіотичних (небіологічних) і навіть аномальних, походження яких неясно. Наприклад, може допомогти відрізнити метан, вироблений мікробами, від метану геологічного походження. Більш того, цей підхід дозволив чітко відокремити атмосфери з CFC-12 від тих, де його не було, що важливо для пошуку техносигнатур.

Коли мовчання — також відповідь: сила виключення

Одна з найсильніших переваг мережного підходу — це не лише здатність знаходити потенційні ознаки життя, а й упевнено виключати біологічні пояснення тих чи інших атмосферних явищ. Використовуючи методи статистичного аналізу (наприклад, байєсівський аналіз), вчені можуть з більшою часткою ймовірності сказати: «Так, тут є метан, але структура хімічних реакцій в атмосфері така, що він, швидше за все, має небіологічне походження». Це неймовірно важливо, щоб не ганятися за примарами та не робити поспішних висновків про позаземне життя.

Щобільше, такий підхід може допомогти нам виявити «життя, якого ми його не знаємо». Адже ми звикли шукати аналоги земної біохімії. А якщо на іншій планеті життя засноване на зовсім інших хімічних принципах? Мережевий аналіз, фокусуючись на загальних закономірностях і аномаліях у хімічних взаємодіях, може виявити сліди такого «чужого» життя, навіть якщо воно не виробляє звичний нам кисень або метан. Він може вказати на складні хімічні процеси, що самопідтримуються, які важко пояснити без участі якогось аналога метаболізму.

Заглядаючи за горизонт звичного

То що це означає для майбутнього пошуку життя у Всесвіті? Підхід, що ґрунтується на аналізі мереж хімічних реакцій, — це не просто чергова методика. Це зміна парадигми. Замість пошуку окремих «цеглинок» ми починаємо бачити всю «архітектуру» планетарної атмосфери.

Це особливо актуально для даних, які ми отримуємо та отримуватимемо від телескопа Джеймса Вебба та майбутніх обсерваторій. Вони можуть надати безпрецедентно детальну інформацію про склад атмосфер екзопланет. І щоб не втопитися в цьому морі даних, потрібні потужні аналітичні інструменти, здатні виявляти складні закономірності.

Мережевий аналіз може:

• Розрізняти біологічні та небіологічні джерела газів.
• Ідентифікувати техносигнатури, що вказують на діяльність цивілізацій.
• Допомагати зрозуміти, чи маємо ми справу з життям, схожим на земне, чи з чимось зовсім іншим.
• І, що не менш важливо, відсівати неправдиві сигнали, підвищуючи надійність наших висновків.

Звичайно, це не чарівна паличка. Для побудови точних моделей СХР потрібні детальні дані і глибоке розуміння фундаментальної хімії. Але цей напрямок відкриває захоплюючі перспективи. багатогранним, ніж ми можемо собі уявити.