Из истории астробиологии. Появлению астробиологии предшествовали общефилософские взгляды на распространенность жизни за пределом Земли, выраженные, например, Джордано Бруно в работе О бесконечности, Вселенной и мирах (1584). Первые попытки наблюдать проявление внеземной жизни были связаны с телескопическим изучением поверхностей Луны и Марса, сообщения об их изменчивости вызвали к жизни гипотезу о растительном покрове этих планет. Одним из авторов и страстным пропагандистом этой гипотезы был французский астроном Камиль Фламмарион, утверждавший идею жизни на планетах в своей книге Множественность обитаемых миров (1862) и в капитальном трехтомном труде Планета Марс и условия обитаемости на ней (1892–1909).

Сильный толчек развитию идеи жизни в космосе дало великое противостояние Марса, наблюдавшееся в сентябре 1877. Именно тогда итальянский астроном Джованни Скиапарелли открыл знаменитые марсианские «каналы». Давая им это название, Скиапарелли просто следовал астрономической традиции: поскольку темные пятна астрономы называли морями – сначала на Луне, затем на Марсе, – то соединяющие их темные линии естественно было назвать каналами (ит. canali). Скиапарелли понимал, что Марс, скорее всего, планета сухая, и оказался прав. Но некоторые энтузиасты восприняли «каналы» всерьез и даже полагали, что это искусственные сооружения, созданные марсианами для орошения полей.

Одним из этих энтузиастов, много сделавшим для изучения Марса и других планет, был американский астроном Персиваль Ловелл, на свои средства построивший великолепную обсерваторию в Аризоне. В 1894–1896 он составил и опубликовал карту Марса, на которую нанес множество одиночных и сдвоенных каналов, прямых как стрела, тянущихся на тысячи километров. В многочисленных комментариях Ловелла и в его прекрасно изданных книгах о Марсе речь шла не просто о жизни на этой планете, но и о разумных ее обитателях. Ловелл многих заразил своим энтузиазмом: именно тогда, в 1898 был написан самый известный роман о нашествии марсиан на Землю – Война миров Герберта Уэллса. Английский литератор создал свой шедевр под впечатлением свежих астрономических открытий. Позже, в 20 в., эта тема разрабатывалась крупнейшими писателями-фантастами, в немалой степени стимулируя научные изыскания.

Изучая сезонные изменения на поверхности Марса, Ловелл заключил, что она покрыта растительностью (во всяком случае – полосами вдоль каналов). Книга Ловелла Марс как пристанище жизни (1908) имела успех среди энтузиастов астробиологии. Одним из них был пулковский астроном Гавриил Адрианович Тихов (1875–1960), в течение 40 лет изучавший физические условия на Марсе, в основном, фотометрическими методами. Он полагал, что на поверхности планеты есть участки, покрытые растительностью. В связи с этим он исследовал спектральную отражательную способность земных растительных сообществ в разных регионах, пытаясь обнаружить растения с цветовыми характеристиками, аналогичными некоторым участкам марсианской поверхности. Эту пограничную между астрономией и ботаникой область он назвал «астроботаникой», ныне этот термин не употребляется.

Современная астробиология основывается на достижениях биологии, астрономии, химии. В экспериментальном плане она использует возможности космонавтики для изучения Солнечной системы, а также методы астрономии и радиоастрономии для изучения органической составляющей межзвездной среды и поиска планетных систем, подобных Солнечной системе. Основные проблемы астробиологии – изучение обстоятельств зарождения и развития жизни на Земле, выяснение граничных условий органической жизни, поиск жизни на планетах Солнечной системы, исследование химической (предбиологической) эволюции органического вещества. Одним из способов решить некоторые проблемы астробиологии представляется поиск внеземных цивилизаций.

Зарождение жизни. Наиболее богатый экспериментальный материал получен в связи с исследованиями зарождения жизни на Земле. Считается, что первичная атмосфера Земли имела основной состав, т.е. была богата водородосодержащими компонентами. В такой атмосфере, как предположил в 1923 А.И.Опарин, на поверхности планеты из простейших веществ могли формироваться сложные соединения, послужившие основой для развития жизни. Это убедительно показали еще в конце 1950-х опыты Стэнли Миллера, Хуана Оро, Лесли Оргела и других биохимиков, которые в лабораторных установках имитировали первичную атмосферу планет, содержавшую в большом количестве водород, метан и аммиак вместе с сероводородом и парами воды. Для имитации условий на молодой планете эту «первичную атмосферу» освещали ультрафиолетовым излучением и возбуждали искровыми разрядами (поскольку активная вулканическая деятельность должна сопровождаться сильными грозами).

Например, Миллер действовал электрическими разрядами на смесь H₂ + CH₄ + NH₃, циркулирующую над кипящей водой. Среди продуктов реакций в его установке обнаружились мочевина (NH₂)₂CO, метилмочевина, большой набор органических кислот и шесть аминокислот. Другие исследователи модифицировали опыт и получали несколько иной набор веществ. В результате подобных экспериментов выяснилось, что в условиях молодой планеты из простейших веществ быстро формируются сложные соединения. Например, в лабораторных условиях появлялись 12 из 20-ти аминокислот, образующих все белки земных организмов, и 4 из 5-ти оснований, образующих информационные молекулы РНК и ДНК. Из этих элементарных «кирпичиков» построены все земные организмы.

Однако в подобных экспериментах не удалось продвинуться до синтеза высокоорганизованных комплексов белков и, тем более, таких самовоспроизводящихся структур как молекулы ДНК. Осталось много нерешенных проблем, связанных с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Но большинство биологов считает, что таким путем постепенно могла образоваться биосфера Земли. Позже, в результате фотосинтеза, обусловленного деятельностью растений, земная атмосфера стала окислительной. Считается, что присутствие кислорода в составе атмосферы планеты является достаточным (хотя и не обязательным) признаком на ней жизни.

Гипотеза панспермии. Некоторые ученые считают, что «чудо рождения жизни» требует невероятно редкого сочетания многих факторов, а потому не может происходить во Вселенной часто. Они не исключают, что жизнь, возникнув лишь однажды, затем распространяется с планеты на планету, подобно эпидемии. Поэтому наряду с теорией зарождения жизни на Земле сейчас активно обсуждается и гипотеза панспермии – перенос жизни с одних небесных тел на другие. Эту идею впервые высказал в 1908 шведский ученый Сванте Аррениус, а возродили ее спустя полвека биохимики Френсис Крик и Лесли Оргел. Сам Аррениус считал, что живые клетки переносятся от одной планеты к другой под давлением света звезды. Крик и Оргел предполагали «направленную панспермию» – организованный перенос живого вещества с планеты на планету какими-то разумными существами. В последнее время стали рассматривать и третью возможность: перенос жизни в составе метеоритов, выбитых с поверхности обитаемой планеты. Для проверки гипотезы панспермии важно обнаружить жизнь еще хотя бы на одной планете и сравнить ее с земной: если и там белки окажутся собранными из 20-ти таких же аминокислот, как на Земле, значит, действительно, все живые существа вышли из одной колыбели.

Некоторые основания для этой гипотезы панспермии дает обнаружение органических соединений в межзвездной среде, а также в ядрах комет и метеоритах. Исследование первичного метеоритного вещества – углистых хондритов, выявило в них сложные углеводородные соединения вплоть до основных элементов ДНК – пуриновых оснований – аденина и гуанина. Это, по крайней мере, говорит о том, что образование таких веществ может происходить еще на допланетной и даже дозвездной стадии в первичной газово-пылевой туманности. В дальнейшем это органическое вещество входит в состав образующихся планет и при благоприятных условиях определяет развитие на них жизни. Вопрос о переносе живых организмов с планеты на планету пока открыт. На Земле бесспорно обнаружены метеориты с Луны и, весьма вероятно, с Марса (SNC-метеориты, или шерготтиты). Но сообщения о нахождении в них окаменелостей, напоминающих примитивные формы жизни, пока не кажутся большинству специалистов убедительными.

Поиск жизни на планетах и спутниках. Солнечная система предоставляет чрезвычайно разнообразные «полигоны» для астробиологических исследований: холодные газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), твердые карлики – от горячего Меркурия до ледяного Плутона, планеты с атмосферами различной плотности – от газового океана Венеры до разреженной как стратосфера оболочки Марса. Внимание экзобиологов привлекают и спутники планет (Европа, Титан, Ио, Тритон), где условия для жизни могут быть благоприятнее, чем на самих планетах. Интересны льды кометных ядер и углеродистые недра астероидов. В большинстве этих мест из-за их недоступности до сих пор экзобиологические исследования не проводились. Первым объектом для поиска внеземной жизни стала Луна.

Луна. Из всех небесных светил только Луна в течение тысячелетий демонстрировала людям свой явный планетный облик; все остальные планеты выглядели как звезды. Появление телескопа и обнаружение с его помощью гор и долин на Луне только укрепило мнение о ней как о месте, подобном Земле. Издревле люди «населяли» Луну душами умерших, а в 15–18 в. появилось немало книг с фантазиями о путешествиях с Земли на Луну и о возможных обитателях Луны – селенитах (от греч. selene, луна).

Улучшение качества телескопов и внимательное изучение с их помощью лунной поверхности, с одной стороны, указало на отсутствие у Луны плотной атмосферы и открытых водных поверхностей, а с другой – выявило множество интересных мелких деталей лунной топографии, например, извилистых узких долин, напоминающих речные русла. В 1824 немецкий врач и астроном Франц Паула фон Груйтуйзен (1774–1852) описал увиденные им на лунной поверхности города, укрепления, дороги и даже звериные тропы. Ставший в 1826 профессором астрономии Мюнхенского университета, Груйтуйзен, вероятно, последним из профессиональных ученых подозревал разумную жизнь на Луне. Наблюдая в 1834 заход звезд за лимб Луны, Фридрих Бессель не обнаружил у нее даже следов атмосферы. К концу 19 в., казалось, были отброшены последние надежды встретить на Луне жизнь, но в середине 20 в. они появились вновь.

В Солнечной системе Луна, как и Земля, занимает место, наиболее благоприятное для жизни. Чуть ближе к Солнцу слишком жарко (Венера), а чуть дальше от Солнца слишком холодно (Марс). И только на орбите Земли – Луны средняя температура поверхности планеты немного выше нуля по Цельсию – идеальная температура для жизни. На Земле жизнь есть. Почему бы ей не быть и на Луне?

Ответ кажется очевидным: для жизни важна не только подходящая средняя температура, но и отсутствие сильных колебаний температуры, а на лишенной атмосферы Луне эти колебания значительно сильнее, чем на Земле. Второе неблагоприятное свойство лунной поверхности – отсутствие жидкой или газовой среды: в вакууме живая клетка быстро высыхает и активные биологические процессы в ней прекращаются.

Однако к середине 20 в. биологи убедились в высокой приспособляемости жизни, которую удалось обнаружить и в жерлах вулканов, и в глубоководных впадинах, и в стратосфере, и в горячих серных источниках, и в антарктических льдах. Оказалось, что простейшие формы жизни не нуждаются в водной среде. Поэтому вопрос о жизни на Луне вновь стал актуальным, особенно в 1960-е, в период подготовки лунных экспедиций. Радиоастрономические измерения показали, что не прикрытая атмосферой поверхность Луны днем нагревается Солнцем до +130° С, а ночью остывает до –170° С. Однако под верхним слоем лунного грунта, уже на глубине 1 м почти не ощущаются колебания температуры: там постоянно около –40 С. Поскольку нельзя было исключить, что в таких условиях жизнь возможна, то в первых лунных экспедициях соблюдались строгие условия карантина: после возвращения на Землю астронавтов три недели держали в изолированной камере, чтобы убедиться в отсутствии внеземных форм жизни.

Сотни килограммов лунного грунта были подробно исследованы в лаборатории, но никаких следов органической жизни не обнаружилось. Теперь ясно, что еще одна недооцененная ранее функция земной атмосферы – это защита живых организмов от влияния космической радиации. На открытую лунную поверхность беспрепятственно попадают губительные для жизни ультрафиолетовые и рентгеновские солнечные лучи, а также заряженные космические частицы, которые на Земле, в основном, задерживаются в атмосфере, поэтому сейчас ученые уверены: на поверхности Луны нет условий для жизни, органическая жизнь там не могла зародиться и не может поддерживаться.

Планеты и спутники. До сих пор Луна остается единственным небесным телом, образцы вещества которого были доставлены на Землю и детально изучены на предмет биологической активности. В принципе, такой анализ можно проводить на поверхности изучаемой планеты, оснастив спускаемый аппарат автоматической био-лабораторией, что и было сделано лишь однажды, при исследовании Марса. Возможен и дистанционный поиск индикаторов жизни, например, путем спектрального анализа атмосферы и поверхности планеты. Именно такой анализ служит пока единственным источником астробиологических данных о всех объектах Солнечной системы за исключением Луны и Марса. На спускаемых аппаратах, достигших поверхности таких тел как Венера, Юпитер, астероид Эрос, астробиологических приборов не было.

Дистанционные исследования показали, что Меркурий непригоден для жизни: на нем нет атмосферы и воды (возможны лишь залежи льда в полярных кратерах), а колебания температуры поверхности чрезвычайно высоки (от +420° С днем до –185° С ночью). У поверхности Венеры жизнь также невозможна, поскольку там постоянно высокая температура (+460° С), при которой плавится свинец. Однако, не исключена возможность жизни в верхнем слое облаков Венеры, где условия гораздо мягче, но пока это только гипотеза.

Кроме Марса, ни одна из планет не вызывает у экзобиологов пристального интереса. Плутон и Харон, лишенные солнечного тепла и внутренних источников энергии, считаются абсолютно непригодными для жизни. В отношении планет-гигантов есть умеренный оптимизм, поскольку в их атмосферах обнаружено много простейших органических молекул, но все же трудно поверить, что при отсутствии твердой поверхности (а у планет-гигантов ее практически нет) может существовать жизнь.

Как оказалось, значительно большее сходство с Землей имеют не сами планеты-гиганты, а некоторые их спутники – Титан, Европа, Тритон, Ио. Например, у Титана – спутника Сатурна – есть не только азотная атмосфера с органическими компонентами, но и твердая поверхность, где могут скапливаться продукты синтеза. Правда, температура этой поверхности (–185° С) скорее подходит для сжижения кислорода.

Первые эксперименты в атмосфере и на поверхности Титана должен провести 14 января 2005 посадочный аппарат «Гюйгенс», который в составе межпланетного зонда «Кассини» (НАСА и Европейское космическое агентство) прибыл 30 июня 2004 в систему Сатурна.

В ожидании посадки на Титан ученые не питают особых надежд по поводу жизни на его поверхности: там не может быть ни жидкой воды, ни подходящей для жизни температуры. Зато повышенное внимание астробиологов привлекает спутник Юпитера Европа, хотя и лишенная атмосферы, но, по-видимому, имеющая под своей ледяной поверхностью океан жидкой воды при комнатной температуре. Сомнений в этом уже практически не осталось, поэтому сейчас активно разрабатываются проекты космических зондов, способных опуститься на поверхность Европы и, проникнув сквозь ледяную кору, исследовать этот океан в поисках жизни. Фактически, Европа – единственное место в Солнечной системе, для которого есть веское доказательство наличия воды в жидком состоянии, поскольку наличие воды на Марсе под слоем вечной мерзлоты еще не доказано.

 Марс. Астробиологи всегда возлагали большие надежды на Марс (см. МАРС, раздел «Поиск жизни на Марсе»), но лишь космические полеты дали реальную возможность для практического поиска жизни на его поверхности. Обнаруженные на Марсе с помощью пролетных и орбитальных аппаратов русла высохших рек убеждали ученых, что на планете могла быть вода. К тому же приемлемый для жизни диапазон температуры (почти такой же, как в Антарктиде) указывал, что на Марсе могли бы существовать микробы и простейшие формы растений, поэтому одной из приоритетных задач космической программы США был поиск жизни на Марсе. Эта работа достигла кульминации в 1976, когда две автоматические станции «Викинг» опустились на поверхность Марса и проработали на ней несколько лет. В состав каждой станции входило три прибора для микробиологических экспериментов с марсианским грунтом:

1) Эксперимент «Газовый обмен». Несколько граммов грунта смачивали раствором, богатым питательными веществами, и затем с помощью газового хроматографа следили за изменением химического состава газов над смесью грунта и питательных веществ. Такие изменения могли произойти в результате жизнедеятельности марсианских микроорганизмов. На Земле этот эксперимент обнаружил бы существование жизни по изменениям содержания кислорода, углекислого газа или водорода в воздухе над грунтом, вызванным обменом веществ живых организмов, содержащихся в пробе, с окружающей средой.

2) Эксперимент «Разложение метки». В этом эксперименте, предназначенном для более прямой проверки биологической активности, использовался набор органических соединений, меченых путем замены части обычных атомов углерода радиоактивными атомами ¹⁴C. Этими соединениями смачивалась проба грунта. Если бы любой организм потребил часть этих меченых молекул (отсюда название «разложение метки»), то при прогревании пробы грунта, в которой он жил, в газе над образцом была бы зарегистрирована радиоактивность. На Земле такой эксперимент называют «дыханием грунта», так как он показывает, выделяют ли микроорганизмы газ в атмосферу.

У описанных экспериментов два основных недостатка. Во-первых, сейчас на Марсе практически нет жидкой воды, поэтому водная среда может оказаться совершенно непривычной для марсианских бактерий. Во-вторых, органические питательные вещества, «лакомые» для земных организмов, могли оказаться ядовитыми для марсианских. Этих недостатков был лишен третий биологический эксперимент:

3) Эксперимент «Пиролизное разложение». Проба грунта помещалась в камеру, где обычная марсианская атмосфера заменялась эквивалентной смесью газов, меченных радиоактивными атомами углерода. Внутри камера освещалась ксеноновой лампой с фильтром, задерживающим ультрафиолетовое излучение, чтобы исключить возможность фотохимических реакций, имитирующих биологическую активность. После того как предполагаемые марсианские организмы имели возможность пожить некоторое время в этой среде, камера промывалась инертным газом для удаления непрореагировавших остатков радиоактивной атмосферы.

Затем проводился пиролиз – прокаливание образца грунта до температуры 625° С. Получаемая газовая смесь содержала продукты пиролиза и непрореагировавшие исходные газы, которые адсорбировались на частицах грунта. После этого газовую смесь пропускали через колонку с окисью меди, которая задерживает органические молекулы, но не адсорбирует ¹⁴CO₂ и ¹⁴CO, поступающие в детектор. Их радиоактивность регистрировалась счетчиком. Затем температура в колонке повышалась до 750° С. В результате адсорбированные органические соединения должны были окисляться до меченого углекислого газа, который вытеснялся в детектор радиоактивности. Именно данная фракция ¹⁴CO₂ должна была служить показателем биологической активности взятых образцов грунта.

Результаты этих экспериментов, проведенных на борту «Викингов», выявили довольно высокую химическую активность грунта, но детальный анализ показал, что она могла иметь неорганическую природу: марсианский грунт может содержать химические вещества типа перекисей, (например, перекись водорода H₂O₂) которые реагируют с простыми органическими соединениями с выделением углекислого газа. Данные лишь одного из биологических экспериментов можно было интерпретировать как указание на возможность жизни.

Однако на борту «Викингов» был еще один, очень чувствительный, физический прибор, способный регистрировать органические молекулы в любой, не обязательно живой, форме. Этот прибор сочетал в себе газовый хроматограф и масс-спектрометр. Пробы грунта нагревались в специальной печке для выделения летучих веществ, которые затем поступали в хроматографическую колонку и выходили из нее последовательно в зависимости от времени задержки, различного для разных газов. Масс-спектрометр анализировал уже разделенный поток газа, определяя молекулярный вес присутствующих в нем соединений. Ни в одной из проб грунта в двух местах посадки аппаратов не были обнаружены органические вещества, а только лишь вода и углекислый газ, что неудивительно, поскольку они содержатся в атмосфере планеты. Таким образом, этот четвертый эксперимент, не показавший наличия органических молекул, служит доказательством отсутствия жизни. Сейчас ученые согласны, что в местах посадки «Викингов» на Марсе жизнь не обнаружена и что неясные химические процессы с участием перекисей имитировали проявление жизни в биологических экспериментах.

Результаты работы «Викингов» разочаровали экзобиологов. Стало ясно, что в нынешнюю эпоху условия на Марсе неблагоприятны для возникновения жизни: там холодно, сухо, очень разреженный, лишенный кислорода воздух и поэтому сильно ультрафиолетовое излучение Солнца, стерилизующее поверхность планеты. К тому же планета практически лишена магнитосферы, защищающей от космических лучей. После экспедиций «Викингов» ученые почти потеряли надежду обнаружить на Марсе активную жизнь. Исследования Марса прервались почти на 20 лет.

С середины 1990-х изучение Марса вновь активизировалось. Этому способствовала находка в Антарктиде марсианского метеорита ALH 84001, который, по мнению некоторых ученых, содержит следы биосферы Марса. В 1997 на околомарсианскую орбиту был выведен аппарат «Марс Глобал Сервейор» (США), позволивший получить детальные изображения поверхности планеты. Стало очевидно, что в истории Марса были периоды более благоприятные для жизни. Есть признаки того, что климат Марса существенно менялся: в далеком прошлом по его поверхности текла вода: на ней ясно видны следы водной эрозии – овраги и пустые русла рек.

В 1997 мягкую посадку на Марс совершил зонд «Марс Пасфайндер» (США), доставивший первый автоматический марсоход «Соджорнер», который обнаружил признаки мощных водных течений в геологическом строении поверхности. Это подтвердили и самоходные лаборатории «Спирит» и «Оппортьюнити» (США), опустившиеся на Марс в начале 2004. К сожалению, все самоходные аппараты не оснащены приборами для поиска веществ биогенного происхождения. Такие приборы были на борту спускаемого аппарата «Бигль-2», который в 2003 в составе европейского зонда «Марс Экспресс» отправился для поиска следов жизни на Марсе, но не смог благополучно сесть на поверхность.

Однако данные орбитальных аппаратов подогревают интерес экзобиологов к Марсу. В самое последнее время появились доказательства того, что в наши дни на Марсе есть источники жидкой воды и открытые бассейны. Глобальное картографирование нейтронного излучения Марса выявило огромные залежи водяного льда и связанной воды в приповерхностном слое планеты. Это поддерживает идею о периодическом изменении марсианского климата, долговременные вариации которого могут быть связаны с изменением наклона полярной оси планеты. При небольшом повышении температуры планеты ее разреженная атмосфера может стать в 100 раз плотнее за счет испарения льдов полярных шапок и слоя вечной мерзлоты, поэтому не исключено, что жизнь на Марсе существовала когда-то в прошлом. Нужны новые полеты на Марс для поиска ископаемых остатков жизни. Не исключено, что, по крайней мере, на Марсе экзобиология может уступить место экзопалеонтологии.

 Астероиды и кометы. Поверхности астероидов напоминают лунную и выглядят совершенно стерильными. Кометы почти наверняка содержат сложные органические молекулы, образовавшиеся еще в эпоху формирования Солнечной системы, но трудно вообразить себе жизнь на комете. Впрочем, «трудно» не означает «невозможно». Жизнь, как высшая форма развития материи, отличается удивительной приспособляемостью, а условия на малых телах Солнечной системы могут быть не так уж плохи. Например, в метеорите, упавшем 22 марта 1998 близ г. Монаханс в штате Техас (США), ученые обнаружили кристаллы каменной соли с внедренными в них крохотными капельками воды. Без сомнения эта вода имеет космическое происхождение, ибо метеорит попал в лабораторию сразу после падения (о котором ученым сообщили школьники – свидетели этого события), и земная влага проникнуть в него не успела. Возраст техасского метеорита около 4,5 млрд. лет, поэтому капельки в кристаллах соли несут в себе следы досолнечного вещества. Похожие капельки воды были найдены и в метеорите, упавшем незадолго до этого в Марокко. На Земле кристаллы соли возникают только при выпаривании соленой (например, морской) воды. Наличие соли в осколках астероидов, означает, что жидкая вода во время образования Солнечной системы не была редкостью.

Можно подвести итоги. Современные условия на большинстве объектов Солнечной системы исключают жизнь. Наиболее привлекательными для ее поиска считаются Марс, Европа (спутник Юпитера) и Титан (спутник Сатурна). Прямые поиски жизни до сих пор проводились лишь на Луне и Марсе, не дав положительных результатов. Однако последние исследования Марса, выявившие не только следы воды, но и ее наличие, оставляют некоторую надежду. В отношении Европы и Титана также планируются биологические эксперименты. Попытки с помощью автоматических аппаратов обнаружить жизнь на других небесных телах основываются на предположении, что жизнь на них имеет ту же углеводородную основу, что и на Земле. Возможность жизни на другой основе (аммиак, кремний) считается маловероятной. В ходе исследований уточняется диапазон условий, пригодных для органической жизни.

Границы органической жизни. Диапазон условий, пригодных для развития органической жизни, выясняется в ходе исследований организмов, обитающих в экстремальных условиях: в вечной мерзлоте, в геотермальных источниках, в холодных пустынях («сухих долинах») Антарктиды, в глубокозалегающих породах земной коры. Зародившись и развиваясь в комфортных условиях нашей планеты, жизнь, тем не менее, демонстрирует широкий диапазон возможностей и механизмов приспособления. Особо экстремальные условия внешней среды выдерживают некоторые микроорганизмы. Одни из них способны жить в горячей (до 115° С) воде, другие приспособились к низкой температуре (до –20° С); многие бактерии размножаются в очень кислых или щелочных условиях, в концентрированных растворах солей, в присутствии большого количества тяжелых металлов и даже при очень высокой радиации. Некоторые микроорганизмы выдерживают низкое давление в верхних слоях атмосферы (до высоты 85 км), другие – давление воды в 1000 атм на дне океанских впадин. Практически полное высыхание и охлаждение до температуры 0,01 К (–273° С) выдерживают в «пассивном» состоянии споры и цисты микроорганизмов – бактерий, водорослей, грибов.

Однако, такой широкий диапазон условий, в которых могут сохранить жизнь некоторые современные биологические виды, не должен вводить в заблуждение: устойчивость жизни – это результат ее длительной эволюции и высокой специализации видов. В истории земной биосферы было множество эпизодов массового вымирания животных и растений, причем не только в результате конкурентной борьбы, но и в ответ на изменение внешних условий. Как выяснили биологи, земные формы жизни особенно чувствительны к наличию жидкой воды, даже во льдах и морозильных камерах микроорганизмы размножаются лишь в тонкой пленке воды на поверхности кристаллов. Поэтому даже на Земле жизнь существует не везде: например, антарктические «сухие долины» практически стерильны.

Условия для зарождения жизни вряд ли принципиально отличаются от условий для ее поддержания. Биологи не видят иной основы жизни, кроме органических молекул – биополимеров. Если для некоторых из них, таких, как молекула ДНК, важнейшим свойством является последовательность звеньев-мономеров, в которой закодирована наследственная информация организма, то для большинства других молекул – белков и, в особенности, ферментов – наиболее важна пространственная форма, очень чувствительная к температуре. Стоит температуре повыситься, как белок денатурируется – теряет свою пространственную конфигурацию, а вместе с ней и свои биологические свойства (например, белок куриного яйца «сворачивается» от тепла), поэтому самые жесткие требования, необходимые для жизни, предъявляются к температуре.

Зоны жизни вокруг звезд. Чем бы ни закончился поиск внеземной жизни в пределах Солнечной системы, астробиологи уже имеют реальный шанс обнаружить жизнь в миллионах иных планетных систем, населяющих нашу Галактику. Только в окрестности Солнца за последние годы обнаружено более 100 планетных систем (см. экзопланеты). Пока выявляются лишь планеты-гиганты, но уже ясно, что обнаружение планет земного типа – дело ближайших лет. В принципе, возможно спектральное изучение их атмосфер для поиска в них кислорода как индикатора жизни. Пока же нет доказательств, что где-либо за пределами Земли есть жизнь.

Для прогнозирования условий в иных планетных системах привлекаются астрофизические данные, позволяющие определять характеристики так называемых «зон жизни» вокруг звезд и центра Галактики. Необходимым для развития жизни считается наличие звезды умеренной массы, обладающей длительным периодом спокойной эволюции, а также планеты с полупрозрачной атмосферой, движущейся по круговой орбите в определенном диапазоне расстояния от этой звезды. Имеет значение возраст звезды, определяющий ее химический состав, а также орбита звезды в Галактике, определяющая частоту пересечения ею спиральных рукавов, где условия для жизни считаются не столь благоприятными. Эти расчеты позволяют прогнозировать наиболее перспективные места для поиска внеземной жизни, в том числе – разумной.

Жизнь, как и любой другой термодинамический процесс, требует для своего поддержания неравновесных условий. На простейшем примере паровой машины или двигателя внутреннего сгорания легко понять, что в случае одинаковых температур нагревателя и холодильника машина работать не будет. На более сложном уровне это верно и для живого организма. Источником энергии для земной биосферы служит солнечный свет, излученный поверхностью звезды при температуре 5600° С, а окружающий нас «холодильник» (земная атмосфера) имеет среднюю температуру 15° С. Чтобы на поверхности планеты поддерживались неравновесные условия, у планеты должна быть достаточно прозрачная атмосфера, иначе даже при благоприятной температуре у поверхности планеты условия там будут как в термостате: температура вещества и излучения будут одинаковы. Поэтому планеты земного типа с их полупрозрачными атмосферами более благоприятны для жизни, чем планеты-гиганты.

Температура на поверхности планеты земного типа, имеющей сравнительно разреженную атмосферу, в основном, зависит от мощности дневного светила и расстояния до него. В 1950-х американский астрофизик Су-Шу Хуанг исследовал эту проблему: он рассчитал, на каком расстоянии от звезд разного типа могут находится обитаемые планеты, если средняя температура на их поверхности допускает существование жидкой воды, т.е. заключена в диапазоне от 0 до 100° С. Для детального проведения такого расчета нужно знать параметры атмосферы и поверхности планеты. Например, средняя температура поверхности и особенно ее суточные колебания сильно зависят от наличия или отсутствия облаков, от степени отражения света (хорошо известно, насколько по разному нагреты весной участки земли, покрытые снегом и уже освободившиеся от него). В расчетах Су-Шу Хуанга все эти тонкости не учитываются и сами расчеты относятся к некой «типичной» планете.

Суть идеи Хуанга в том, что вокруг любой звезды существует определенная область – «зона жизни» (иногда ее называют экосферой), за пределы которой орбиты этих планет не должны выходить. Велика ли эта зона у звезд различного типа? Нужно учесть, что поток тепла на поверхность планеты пропорционален светимости звезды (L) и обратно пропорционален квадрату расстояния до нее (R). В космос планета возвращает это тепло в виде инфракрасного излучения своей поверхности, которое, по закону Стефана-Больцмана, пропорционально четвертой степени ее температуры (Т). Из уравнения баланса энергии («сколько пришло – столько ушло»)

Можно получить связь: T⁴ ~ L/R^2, откуда находится расстояние до планеты с заданной температурой поверхности: R ~ L^1/2/T². Во всех этих формулах температура выражается в абсолютной шкале Кельвина, в которой точки замерзания и кипения воды равны, соответственно, Т_з = 273 К и Т_к = 373 К. Тогда у любой звезды относительная ширина зоны жизни приблизительно составляет DR/R = 2DT/T ~ 65%. Например, если считать положение Земли в Солнечной системе (R = 1 а.е.) идеальным для жизни, то внутренняя и внешняя границы пояса жизни имеют радиусы R₁ = 0,7 а.е. и R₂ = 1,3 а.е. Вблизи этих границ движутся Венера и Марс. Но свойства их атмосфер увеличивают отличие температуры от земной, поэтому условия на них оказались за пределами возможностей жизни. Учитывая это, имеет смысл сузить «температурные рамки жизни» до диапазона, скажем 10–60 К, получив при этом относительную ширину пояса жизни DR ~ R/3.

Численное значение идеального для жизни расстояния от звезды зависит от ее светимости (R ~ L^1/2), которая, в свою очередь, быстро возрастает с увеличением массы звезды. Значит, у звезд-карликов зона жизни близка к звезде и поэтому узка (R/3). При случайном формировании планет невелика вероятность, что одна из них попадет именно в эту узкую область. У звезд высокой светимости зона жизни находится далеко от звезды и поэтому очень широка. Но продолжительность жизни массивных звезд так мала, что трудно ожидать развития разумной жизни на их планетах (з<

Источник: http://www.krugosvet.ru/