Я узнаю тебя по атомам. Как физики учатся распознавать инопланетян при встрече

В научно-фантастическом фильме 1958 года «Капля» на Землю прилетает инопланетянин, выглядящий как аморфный кусок протоплазмы. Едва оказавшись на нашей планете, он начинает пожирать людей и увеличиваться в размерах. Так авторам фильма удалось выразить новую для научной фантастики идею: не факт, что инопланетяне будут похожи на известные нам формы жизни.

Ученые и философы на протяжении веков пытались определить, что такое жизнь. На уроке биологии нас учили определять жизнь с помощью набора признаков, присущих всем видам на планете — живое способно двигаться, дышать, расти и размножаться. Всё живое состоит из клеток, и у него есть ДНК. Но можно ли определить жизнь с помощью одной лишь биохимии? Еще в 1970 году Карл Саган утверждал, что нельзя.

По его мнению, наши попытки определить жизнь с помощью известных нам признаков неизбежно будут ограничены пределами нашей планеты. Один-единственный пример внеземной жизни мог бы полностью изменить наши представления.

Используя элегантную музыкальную метафору, Саган писал:

«Неизвестно, сколько во Вселенной может быть биологических тем и контрапунктов; может быть, в ней звучат фуги, по сравнению с которыми наша собственная мелодия покажется простоватой. Впрочем, вполне возможно, что наша мелодия — единственная во Вселенной. Так или иначе, возможность существования жизни на других планетах должна учитываться всякий раз, когда ученые будут обсуждать, что такое жизнь».

Замечание Сагана было услышано новым поколением астробиологов. Если на других планетах действительно существует жизнь, она может выглядеть совсем иначе, чем разновидности жизни, встречающиеся на Земле. Таким образом, нужно подобрать достаточно широкое определение жизни, чтобы учесть гипотетическое существование внеземных ее форм.

В официальном документе, опубликованном Национальной академией планетологии и астробиологии, группа ученых, связанных с NASA и SETI, попыталась наметить траекторию будущего развития астробиологических исследований. Ученые писали:

«Вероятность того, что жизнь на других планетах появилась в результате тех же биохимических процессов, что и жизнь на Земле, уменьшается по мере того, как мы удаляемся от Земли. Крайне важно разработать стратегии поиска внеземной жизни, которые были бы нацелены на универсальные следы жизни».

Аарон Голдман, биолог из Оберлинского колледжа, изучающий происхождение жизни на Земле, утверждает, что важно уточнять, что мы имеем в виду, когда говорим о живых и неживых существах, особенно в контексте астробиологии.

«Наиболее удачные определения жизни делятся на две категории: определения через энтропию, которые описывают жизнь через способность увеличивать внутренний порядок за счет увеличения беспорядка в окружающей среде, и определения через эволюцию, которые описывают жизнь через способность эволюционировать путем естественного отбора», — говорит Голдман.

Определения через энтропию описывают способность жизни использовать свободные источники энергии, наподобие Солнца, с помощью которых она поддерживает процессы метаболизма. Согласно этой точке зрения, набор объектов, которые мы называем «жизнью», упорядочен и изо всех сил сопротивляется энтропии.

Но у определения жизни через энтропию есть свои недостатки. Например, из него вытекает, что звезды тоже являются живыми.

Ядерный синтез поддерживает процессы, необходимые для стабильного существования звезды — тип звездного метаболизма, который отражает метаболические процессы биологических организмов. Однако очевидно, что звезды не являются живыми, или, по крайней мере, они не относятся к тому классу объектов, которые мы могли бы считать живыми. С другой стороны, определение жизни через эволюцию, то есть как системы, способной поддерживать собственную структуру и развиваться, также весьма привлекательно. Эволюция путем естественного отбора способствовала разнообразию и адаптации всех живых существ на Земле со времен последнего общего предка.

Как у определения жизни через энтропию, так и у определения жизни через эволюцию есть слабые стороны. Оба определения предполагают ряд особенностей, которые служат своего рода лакмусовой бумажкой для определения того, квалифицируется ли тот или иной набор явлений как жизнь или нет. Живы ли вирусы? Они неспособны к размножению без заражения хозяина и не нуждаются в энергии, поэтому выпадают из классификации. А как насчет цифровых или синтетических форм жизни? Они не имеют общих биологических особенностей с живыми существами, известными нам, и состоят из совершенно другого субстрата. При одном наборе критериев наши ответы на вопрос, живы ли они, могут быть отрицательными, при другом наборе критериев — утвердительными, в то время как наша интуиция подсказывает нам совершенно другое.

Признавая проблемы, которые могут возникнуть при попытке применить эти универсальные качественные определения жизни, астробиологи задались вопросом: существуют ли поддающиеся количественной оценке особенности химического состава, с помощью которых можно было бы определить характеристики жизни таким образом, чтобы затем использовать их для поиска внеземных форм жизни? Возможно ли создать «физику жизни» с нуля?

Одна из первых попыток установить поддающуюся количественной оценке основу для идентификации внеземных биологических процессов была предпринята в 2004 году Крисом Маккеем, ученым-планетологом из NASA. Маккей ввел «принцип Lego», который описывает блоки молекул, образующих устойчивые биологические структуры, такие как белки. Маккей заметил, что жизнь не использует весь спектр доступных органических молекул при создании устойчивых структур. Так, аминокислоты, которые, вероятно, являются наиболее важным набором органических молекул, используемых в живых системах на Земле, обладают свойством хиральности, то есть имеют левостороннюю и правостороннюю версию. Из двадцати аминокислот, присутствующих в белках, земная жизнь использует только левосторонние аминокислоты, в то время как абиотические процессы используют и те, и другие.

Принцип Lego применим для поиска внеземной жизни в Солнечной системе. Органический материал, взятый из мест, где гипотетически можно было бы обнаружить жизнь, таких как Марс или Европа, можно протестировать на хиральность.

Анализ органических молекул может выявить закономерности, свидетельствующие о присутствии или следе внеземной формы жизни, даже если эти закономерности не связаны с конкретными органическими молекулами, свойственными жизни на Земле.

У астробиолога Сары Уокер из Университета штата Аризона и химика Ли Кронина из Университета Глазго есть свой собственный взгляд на жизнь. Их «теория сборки» предполагает, что существует поддающаяся количественной оценке разница в сложности молекул, которые могут быть созданы жизнью, по сравнению со всеми остальными молекулами.

«По сути, идея заключается в том, что в основе жизни лежит физика, которая создает во Вселенной сложность», — говорит Уокер.

Всё элементарно: чтобы между атомами возникла связь и появилась молекула, необходимо преодолеть энергетический барьер, поэтому по мере усложнения связей между атомами всё менее вероятным становится случайное возникновение молекул; или, как выразился Уокер, «Вселенная не создает сложные вещи бесплатно». Жизнь, однако, способна обходить эти энергетические барьеры, открывая чрезвычайно широкое пространство возможного, где может быть реализовано ошеломляющее количество сложных молекулярных структур. По словам Уокера, цель теории сборки состоит в том, чтобы «понять обстоятельства, при которых появляется сложность».

Для описания сложных молекул теория сборки использует специальный индекс молекулярной сборки, который определяется в зависимости от числа шагов, необходимых для создания конкретной молекулы из ее элементарных строительных блоков (атомов и связей), и это число может быть получено с помощью анализа в масс-спектрометрах.

Если ученые обнаружат в космосе скопления молекул выше определенного порога МС, это может указывать на наличие процессов, которые мы могли бы назвать живыми. Согласно теории сборки, именно сложность объекта определяет, был ли он продуктом жизненных процессов.

Представьте, что космонавты исследуют поверхность далеких планет в поисках признаков жизни. Они натыкаются на объект, который, несомненно, является частью инопланетной технологии. Это высокоупорядоченная и сложная структура, и мы не можем предположить, что она появилась здесь случайно. Чтобы должным образом объяснить происхождение объекта, нам придется рассказать историю длиной в несколько миллиардов лет, объясняющую, как геохимические циклы на планете эволюционировали в жизнь, которая затем эволюционировала в разумную жизнь, которая в конечном итоге разработала технологию, способную создавать оборудование.

«Сотовые телефоны не возникают случайным образом из вакуума», — язвительно замечает Уокер.

Иными словами, чем сложнее становится структура чего бы то ни было, будь то элемент сложной технологии или даже молекула, тем менее вероятно, что структура появилась случайно. Для возникновения сложности нужен некий процесс, который может использовать информацию для построения сложных структур, и Уокер и Кронин называют этот процесс жизнью. То есть человеческая технология, равно как и любая потенциальная инопланетная технология, являются частью и следствием живых процессов.

Разница между тем, что теория сборки называет живыми процессами, и тем, что она называет неживыми процессами, заключается в том, что живыми процессами управляет информация, сохраняемая в ходе истории взаимодействий между объектом и его средой, в то время как неживые процессы в значительной степени определяются случайностью. Механизмом для записи истории взаимодействий в случае известных нам живых существ является ДНК, но этот механизм может выглядеть иначе для других разновидностей жизни.

Тем не менее широко использовать теорию сборки просто негде — измерения должны проводиться непосредственно на месте исследования. В ближайшее время NASA планирует отправить масс-спектрометры на Титан и Европу в надежде найти химический состав, свойственный живым организмам, однако Уокер считает, что у исследователей, работающих над этим проектом, не будет возможности проводить высокоточные измерения, которых требует теория сборки. Сейчас мы ограничены тем, насколько далеко мы можем посылать наши приборы, в то время как кругом — огромная Вселенная с множеством возможных мест для жизни. Однако Уокер отмечает, что исследователи, работающие над теорией сборки, разрабатывают способы ее применения при спектрографическом анализе атмосфер экзопланет.

Один из наиболее обсуждаемых методов, который ученые могут начать использовать для обнаружения жизни, — это поиск следов жизни в атмосфере.

Жизнь на Земле очень сильно повлияла на атмосферу нашей планеты, поэтому, анализируя атмосферы планет за пределами Солнечной системы, ученые надеются обнаружить признаки, указывающие на присутствие жизни на этих планетах.

В 2020 году ученые сообщили об обнаружении фосфина (возможного следа жизни) в атмосфере Венеры. В венерианских облаках когда-то была жизнь? Дальнейшие измерения не смогли обнаружить газ, в то время как в другом исследовании ученые предположили, что в первый раз их коллеги, возможно, ошибочно приняли за фосфин диоксид серы, обычный газ, который не является признаком жизни. Исследование, проведенное в 2021 году, выявило возможность того, что количество фосфора, которое астрономы первоначально наблюдали, можно объяснить вулканическими процессами, не связанными с жизнью.

Неопределенность вокруг фосфина подчеркивает проблемы, связанные с методом обнаружения жизни по следам в атмосфере. Более того, ясно, что этот метод опирается на наше понимание биохимии Земли. Интересный способ обойти это противоречие был представлен в статье 2022 года, написанной философом Дэвидом Кинни и главным исследователем SETI Крисом Кемпсом, где они советуют обратить внимание на планеты с самой странной атмосферой.

Кинни и Кемпес считают, что мы должны собрать как можно больше атмосферных данных с как можно большего числа экзопланет, чтобы понять их химический состав. После этого наши усилия по обнаружению жизни должны быть сосредоточены на мирах, которые являются статистическими исключениями. Подход Кинни и Кемпеса не зациклен на определении жизни, центральное место в их аргументации занимает предположение о том, что живые организмы влияют на химический состав атмосферы своих планет, что жизнь на множестве наблюдаемых экзопланет встречается редко и что не существует неких специфических химических процессов, имитирующих проявления жизни.

Конечно, у нас пока нет неопровержимых доказательств существования внеземной жизни. Но Саган был бы рад, узнав, как сегодняшние астробиологи расширили взгляды на то, какой могла бы быть эта жизнь. Подобно переходу в нашем понимании гравитации от Ньютона к Эйнштейну, более убедительное объяснение того, что такое жизнь как система, и условий, из которых она могла возникнуть, лучше подготовит нас к ответу на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной?