В молодой Солнечной системе, когда светимость Солнца составляла лишь 70–75 % от современной, Венера могла находиться в зоне обитаемости. А Марс, возможно, всегда находился и будет оставаться в ней практически до начала превращения Солнца в красного гиганта.
Для рассмотрения разнообразных вариантов, которые могут встретиться в случае разных звезд и планет, понадобится учет множества дополнительных факторов. Кроме деталей состава атмосферы важными будут период вращения планеты и ее масса, эксцентриситет орбиты, наклон оси, величина магнитного поля. Для звезд важно учитывать не только их полную светимость, но и особенности спектра, поскольку лучи разных длин волн будут по-разному взаимодействовать с атмосферами планет, а также уровень активности (количество вспышек, их энергетику и т. п.).
Самыми многочисленными звездами являются красные карлики. Вокруг них открыто множество экзопланет, некоторые из которых формально попадают в зону обитаемости. Известными примерами небольших планет в зонах обитаемости вокруг красных карликов являются Проксима Центавра b и несколько планет системы TRAPPIST-1. Однако у красных карликов низкая светимость, так что и внутренняя, и внешняя границы зоны расположены близко к звезде, и планета, находящаяся в этой зоне, с высокой степенью вероятности будет иметь период собственного вращения, равный орбитальному (наступит приливная синхронизация). Это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах условий на поверхности, и чаще всего такие планеты не смогут сохранять воду в жидком состоянии.
Как уже было отмечено выше, Земля со временем окажется вне зоны обитаемости из-за роста светимости Солнца. Такая ситуация свойственна всем системам, так как энерговыделение звезд меняется даже на стадии Главной последовательности. Поэтому расчет зоны обитаемости вокруг конкретной звезды привязан к определенному моменту в ее жизни. А с точки зрения развития жизни вплоть до появления достаточно сложных форм, обитающих на поверхности, важно, чтобы планета находилась внутри зоны обитаемости в течение продолжительного времени. Важно это и на коротком отрезке времени, поэтому планеты на эксцентричных орбитах, проводящие лишь небольшую часть времени в зоне обитаемости, являются плохими кандидатами при поиске жизни.
Сейчас известны экзопланеты в двойных системах, обращающиеся или вокруг одного из компаньонов, или же вокруг всей двойной звезды. В этих случаях также можно рассчитать зоны обитаемости, однако важно при этом иметь в виду, что нередко орбиты планет в двойных системах могут претерпевать вековые изменения, что будет приводить к их выходу из зоны обитаемости.
Галактическая зона обитаемости определяет область, где жизни меньше угрожают такие катаклизмы, как, например, взрывы сверхновых.
Менее строгим является понятие галактической зоны обитаемости. В этом случае речь идет о возможности длительного существования и развития жизни, которым могут угрожать такие внешние воздействия, как взрывы сверхновых, близкие пролеты звезд, попадание в плотные молекулярные облака. В некоторых областях галактик такие события более вероятны, в некоторых – менее. Выделенной считается зона коротации, в которой скорость движения звезды диска вокруг центра галактики примерно равна скорости спирального узора. Тогда звезда и ее планеты реже оказываются вблизи рукавов, где опасные воздействия более вероятны. Именно такое положение, согласно многим моделям, занимает наше Солнце.
Третьим пунктом на пути установления потенциальной обитаемости планеты является обнаружение биомаркеров в ее атмосфере.
Обнаружив планету земного типа на устойчивой примерно круговой орбите в зоне обитаемости у звезды Главной последовательности с подходящим возрастом, мы относим ее к потенциально обитаемым. Следующим шагом должно стать изучение характеристик атмосферы такой планеты. Ученые пытаются выделить набор веществ, присутствие которых в атмосфере должно гарантировать существование на планете жизни земного типа. При этом спектральные линии соответствующих молекул должны быть обнаружимы современными средствами или хотя бы инструментами, которые могут быть созданы в ближайшем будущем. Такие вещества называют биомаркерами.
Для земной жизни важны разные вещества. Кроме воды и кислорода важную роль в биохимии играют, например, сера и фосфор, однако следы присутствия соединений с этими элементами будет трудно обнаружить в атмосферах потенциально обитаемых планет. Кроме того, важно выбирать такие вещества и их комбинации, которые трудно объяснить естественными небиологическими (абиогенными) процессами. Так, например, сосуществование в земной атмосфере кислорода (O2) с метаном (CH4) и закисью азота (N2О) требует биологических процессов.
К основным биомаркерам относят молекулы O2, O3, H2O, CH4, CO2, N2O (некоторые вещества должны присутствовать в значительных количествах, как, например, кислород, поскольку малые его количества могут быть абиогенными). Иногда в список включают также аммиак (NH3) и некоторые другие соединения. По отдельности эти вещества могут иметь абиогенное происхождение, но наличие их всех вместе с высокой вероятностью указывает на проявление жизни, подобной нашей.
К основным биомаркерам относят молекулярный кислород, озон, воду, метан, углекислый газ и закись азота («веселящий газ»).
Обнаружение присутствия линий биомаркеров в спектрах землеподобных планет – очень трудная задача. Во-первых, речь идет об очень слабых объектах, поэтому необходимы крупные инструменты. Во-вторых, основные линии находятся в инфракрасной части спектра, где земная атмосфера недостаточно прозрачна. По этим причинам основные результаты, по-видимому, будут получать в рамках специальных космических проектов, подобных Darwin («Дарвин») и TPF (Terrestrial Planet Finder), которые, к сожалению, не были включены в реализующиеся космические программы. На сегодняшний день основные надежды связаны со следующим поколением крупных наземных телескопов с диаметрами зеркал 30–40 м и с космическим телескопом James Webb.
По всей видимости, поиск спектральных линий H2O, CH4, CO2 нужно будет вести из космоса, так как они лежат в основном на длинах волн более 5 мкм, а в этом диапазоне наша атмосфера почти непрозрачна. Для наземных телескопов ближайшей задачей будет обнаружение кислорода в спектрах транзитных планет. К сожалению, чтобы накопить достаточный сигнал, придется наблюдать много прохождений планеты по диску звезды, поэтому результат может быть получен лишь за довольно длительное время. Расчеты показывают, что для этого лучше всего подходят транзитные планеты в зонах обитаемости вокруг красных карликов. К сожалению, как уже было отмечено выше, это не лучшие кандидаты в двойники Земли, в том числе и по той причине, что сильное ультрафиолетовое излучение, возникающее при мощных вспышках на маломассивных звездах, разрушает молекулы ДНК.
Для обнаружения линий всех основных биомаркеров понадобятся специальные космические проекты.
Также нужно помнить, что обитаемая планета – это не обязательно точная копия современной Земли. Свойства атмосферы нашей планеты 1–2 млрд лет назад заметно отличались от сегодняшних, хотя Земля в то время уже была обитаемой. Расчеты учитывают и это: моделируется изменение спектра земной атмосферы с течением времени, и, возможно, это поможет в поисках. Гораздо труднее будет доказать существование жизни, не похожей на земную.
16.4. Другие формы жизни
Определение жизни («самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции») оставляет в стороне существование (и, возможно, недарвиновскую эволюцию) технических систем или компьютерных программ, а также развитие цивилизации, освоившей генную инженерию (исключающую естественный отбор из биологической эволюции). Такой подход оправдан, поскольку для появления самоэволюционирующих роботов или компьютерных кодов, равно как и высокоразвитой цивилизации, необходим предшествующий этап эволюции химических систем под действием естественного отбора.
Синтетическая биология показала возможность модификации молекул ДНК.
Земная жизнь использует воду как растворитель и основана на углеродных соединениях, а окислителем является кислород, также большую роль в биохимии играет фосфор. Возможны ли иные варианты, при которых основой существования жизни являются другие вещества? Пока у нас есть лишь гипотезы на этот счет, но некоторые из них обсуждаются достаточно серьезно.
Лабораторные эксперименты продемонстрировали возможность существования ДНК, использующих другие азотистые основания (или же их количество может отличаться от того, что используют все существа на Земле). Кроме того, нет сомнений в том, что можно менять и расширять список аминокислот, используемых живыми организмами, поэтому, безусловно, возможно существование жизни, основанной на углероде и воде, но использующей другой «биохимический набор».
Альтернативными растворителями могут быть, например, аммиак, метанол, формамид, а также, возможно, метан.
Кроме того, вода не является единственно возможным растворителем для обеспечения существования жизни. Безусловно, в некотором диапазоне температур вода – лучший вариант, особенно для углеродной жизни (кроме того, вода и углерод более распространены, чем возможные альтернативы). Однако есть и другие жидкости, которые могут выполнять эту роль. Важно, чтобы это был так называемый полярный растворитель, к числу которых помимо воды относятся спирты, аммиак, формамид (амид муравьиной кислоты) и некоторые другие жидкости. В экзотических условиях растворителем могут быть жидкие серодовород (H2S) и углекислый газ (CO2). Некоторые исследователи рассматривают в качестве подходящего вещества даже серную, плавиковую и синильную кислоты! Разумеется, если мы меняем растворитель, то меняется вся биохимия, в том числе придется заменить молекулу ДНК на другой молекулярный носитель генетической информации.