Кто наследил? Разбираемся, что такое биомаркеры, как их ищут, и что они могут значить

В атмосфере Венеры найден фосфин — газ, молекулы которого состоят из атомов фосфора и водорода. Его очень мало — несколько десятков молекул на миллиард.

Кто наследил? Разбираемся, что такое биомаркеры, как их ищут, и что они могут значить

Эта находка заставляет ученых пересматривать программы исследования Солнечной системы, поскольку это вещество входит в список потенциальных биомаркеров, соединений, указывающих на возможность присутствия жизни. Выясняем, откуда берутся биомаркеры, как их ищут и анализируют.

Что считать следами?

Иногда для того, чтобы найти жизнь, достаточно открыть глаза: и вот они, перед вами, растения и животные планеты Земля, питаются, дышат и размножаются. Но даже на нашей планете это задача не всегда решается так легко. Можно ли с первого взгляда определить, есть ли что-то живое на антарктическом леднике? Или в каменистой пустыне? Или у края жерла вулкана? Убедиться, что в таких местах есть бактерии или микроорганизмы, нельзя без специального оборудования. Кроме того, микробы совсем не обязаны ждать исследователя на видимой поверхности — они могут прятаться глубоко в толще грунта или льда, перемещаться в верхних слоях атмосферы. Почти невозможно в поисках живого планомерно обшаривать все пространство вокруг себя.

Задача становится практически нерешаемой, если речь идет о поисках микроорганизмов на других планетах. Даже отправка беспилотных зондов тут не очень поможет: представьте себе, что автоматическая станция определила, что в радиусе сотни метров нет ничего живого. Но что если жизнь прячется за сто первым метром? Или под поверхностью? В начале XX века астрономы и планетологи еще рассчитывали найти на других планетах макроскопические живые организмы. В частности, создатель термина «астробиология», советский астроном Гавриил Тихов пытался найти на Марсе и Венере растения, наблюдая за планетами в телескоп. Но после полетов «Венер» и «Викингов» стало понятно, что искать имеет смысл только микроорганизмы.

После первой неудачной попытки найти следы марсианских микробов напрямую в экспериментах на борту посадочных аппаратов «Викинг», NASA отказалось от попыток найти живое на Марсе напрямую и приняло стратегию «следуй за водой», суть которой — сначала найти среду, пригодную для жизни сейчас или в прошлом, а уже потом пытаться обнаружить там жизнь. Но что делать, если у вас нет возможности отправить посадочный зонд? Можно ли, например, определить, есть ли жизнь на экзопланетах? Единственный вариант — искать не микроорганизмы, а молекулы веществ-биомаркеров.

На эту роль подходят далеко не все вещества, требования к ним достаточно жесткие. Во-первых, у ученых должна быть возможность заметить их издалека. Во-вторых, они должны появляться только в результате активности живых существ, но при этом встречаться не только внутри самих организмов.

Один из биомаркеров — кислород. Его «выдыхают» фотосинтезирующие бактерии и растениями, он распространяется до самых верхних слоев атмосферы. При этом без участия живого его концентрация рано или поздно сошла бы на нет в результате окисления горных пород. Если на планете есть много кислорода, то его почти наверняка синтезировал кто-то живой — так как все не-биологические процессы синтеза кислорода не могут компенсировать потери на окисление.

Другой пример — озон. Этот газ образуется из кислорода, но в отличие от него, намного лучше заметен из космоса: он прекрасно поглощает ультрафиолет и хорошо заметен в телескоп, работающий в ультрафиолетовом диапазоне. Для инопланетных астробиологов наличие этого слоя означало бы присутствие жизни.

Однако даже при наличии биомаркера ученым еще нужно доказать, что он ни в каких условиях не мог появиться без участия жизни. Например, уже давно в атмосфере Марса находят метан, главным источником которого на Земле являются именно живые организмы, но пока никто уверенно не может связать его ни с жизнью, ни с химическими процессами. Наоборот, на спутнике Сатурна Титане метана больше, чем в любом из известных месторождений Земли — но это не говорит о его обитаемости, поскольку он находится очень далеко от Солнца, и углеводороды могут сохраняться там, как и на Ультиме Туле, Плутоне и других окраинных мирах Солнечной системы).

Коротко говоря, биомаркер — это не табличка «тут живое», а сигнал, который имеет смысл только в контексте — важно окружение, время и, разумеется, концентрация. Часто биохимиков также интересует изотопное соотношение (живые организмы не все изотопы одинаково хорошо встраивают в свои клетки) и хиральность молекул — мало-мальски сложная органика бывает «левой» и «правой», подобно перчаткам. И, к примеру, сахара у нас как правило «правые», а аминокислоты — «левые». Например, аминокислоту рибозу находили и в метеоритах, но по соотношению изотопов и оптическим изомерам она была признана абиогенной.

Но главное преимущество методов, связанных с биомаркерами, — это возможность искать и исследовать их дистанционно. Для этого достаточно иметь мощный телескоп и спектрометр. Разные вещества по-разному пропускают, отражают и поглощают излучение, что видно по спектру. Зная, как вещество взаимодействует с излучением, можно определить его состав: в случае с атмосферой планеты для этого подойдёт, например, прошедший через газовую оболочку или отразившийся от нее свет.

Именно это и сделали ученые, обнаружившие на Венере потенциальный биомаркер — фосфин.

Что нашли на Венере и нашли ли?

При помощи двух радиотелескопов, способных работать в миллиметровом диапазоне, ALMA и телескопа Джеймса Максвелла, ученые обнаружили в венерианской атмосфере линии поглощения на длине волны 1,123 миллиметра. А фосфин PH3 как раз обладают подобным свойством: энергия радиоволн с такой длиной волны соответствует переходу молекул с одного энергетического уровня на другой.

Кто наследил? Разбираемся, что такое биомаркеры, как их ищут, и что они могут значить
Венера в видимом свете — молочно-белый шар без каких-либо деталей. Но если смотреть в других диапазонах (скажем, инфракрасном с длиной волны 2,8 микрона) то можно увидеть облака на той самой высоте, где нашли фосфин. Снимок сделан аппаратом Galileo в 1990 году.

Спектральный анализ работает на расстоянии и дает довольно однозначные результаты. С его помощью можно узнать, что варится в сталеплавильной печи, и можно достаточно уверенно исключить версию «может, на Венере не фосфин?»

Сами авторы новой «фосфиновой» публикации пишут, что похожий сигнал мог бы дать оксид серы. Но для этого оксида серы в атмосфере должно было быть существенно больше — на тот эффект, что был выявлен, никак бы не хватило. Авторы указывают, что проверили все известные вещества и ни одно не взаимодействует с радиоволнами этого диапазона подобным образом.

Версия «может, просто неправильно измерили?» тоже не внушает доверия. Все возможные погрешности в сумме дают результат «от 12 до 31 частей на миллиард», то есть отметка «ноль» даже в очень расширенный диапазон погрешностей решительно не вписывается. Неисправность радиотелескопов тоже нельзя рассматривать всерьез — сложно представить себе неисправность, дающую аномальные результаты лишь в части обнаружения фосфина, и при этом одинаковые для двух разных телескопов, наблюдавших за Венерой в разное время и в разных условиях.

Возможно, что фосфина в атмосфере не 20, а даже 10 (или наоборот 30) частей на миллиард. Однако даже 10 частей на миллиард — это много, потому что фосфин не может существовать в венерианской атмосфере длительный срок, а известные нам процессы неспособны компенсировать его убыль. Так что наличие фосфина точно указывает на некий неизвестный процесс, которым может быть и жизнедеятельность бактерий.

На Земле с фосфином связывают возникновение болотных огней — спонтанных вспышек газа, выделяющегося при переработке органики некоторыми бактериями в бескислородных условиях — причем это довольно плохо изученный процесс. На Венере выделение фосфина, судя по его концентрации, происходит в заметно меньших объемах.

Откуда фосфин?

Фосфин вне Земли уже находили: еще в 1970-е годы — на Юпитере и Сатурне, причем находка была затем подтверждена аппаратом Cassini. При этом фосфина в атмосфере планет-гигантов нашли в сотни, если не в тысячу раз больше, чем сейчас обнаружено на Венере. В чем же тогда причина ажиотажа?

Дело в том, что юпитерианский и сатурнианский фосфин образуются при очень высокой температуре, выше 500 градусов Цельсия (на Венере температура не превышает 477 градусов). Реакции на планетах гигантах выглядит так:

P4 + 6H2 ⟶ 4PH3

Далее восходящие потоки выносят фосфин из недр планеты-гиганта ближе к поверхности — в слои, доступные для радиоволн. Там их и находили ученые при помощи как наземных, так и космических аппаратов Венера, конечно, жаркое место, но до глубоких слоев Юпитера или Сатурна ей далеко.

Более того, приведенные авторами нового сообщения расчеты указывают, что ни процессы на поверхности, ни атмосферные явления на Венере не могут привести к появлению фосфина в том количестве, которое следует из радиоастрономических наблюдений. Фосфин не слишком стойкий газ, его молекулы разваливаются и под действием ультрафиолета, и под действием свободных радикалов — так что определённо должен быть какой-то источник.

Кто наследил? Разбираемся, что такое биомаркеры, как их ищут, и что они могут значить
Структура венерианской атмосферы

Как пишут сами авторы, неопределенность в вопросе о том, сколько времени существуют молекулы фосфина в венерианской атмосфере, достигает нескольких порядков. Это «явно больше года, но меньше тысячи лет». Но даже такой уровень точности позволяет говорить, что фосфин не может взяться за счет известных фотохимических реакций в атмосфере или геологических процессов. Условия непосредственно у поверхности не позволяют фосфину существовать дольше считанных десятков минут, а если предположить его образование на той высоте, где газ и был обнаружен — возникает другая проблема.

Реакция синтеза PH3 очевидным образом требуют наличия не только фосфора (P), но и водорода (Н) — а вот его-то атмосфера Венеры содержит очень мало. Исследователи попробовали рассчитать то, сколько водорода потребуется в случае, когда фосфин распадается медленнее всего — и результат отличался в десятки тысяч раз от имеющихся данных. Поток фосфина, который необходим для поддержания его концентрации на постоянном уровне, составлял не менее миллиона молекул на квадратный сантиметр за секунду — и это решительно не вписывается в имеющиеся данные о концентрации водорода вкупе с информацией о том, насколько активно водород может реагировать с оксидами фосфора.

Если же брать для расчета не то, сколько фосфин мог бы существовать по максимуму, а использовать среднее значение времени жизни его молекул — водорода потребуется ещё больше.

Может, фосфин продуцируют венерианские вулканы, где он образуется при высокой температуре из магмы? Но и тут даже с учетом всех допущений получается, что венерианские вулканы должны быть в 200 раз активнее земных. Поскольку предыдущие спутниковые снимки не выявили следов столь невероятно активных вулканов — версию вулканизма пришлось тоже отбросить.

Авторы проверили версию, что фосфин заносят метеориты. Для этого они подняли данные по элементному составу падающего на Землю космического вещества и пришли к выводу, что там наберется от силы несколько тонн фосфора, что в соотношении с общей массой венерианской атмосферы — мизерная величина. То есть фосфин, видимо, действительно обнаружен, но что это значит?

Что это за жизнь?

На высотах, где данные с ALMA и телескопа Джеймса Максвелла позволили обнаружить фосфин, температура в общем-то терпимая — до 70 градусов. И давление сопоставимо с земным — есть ряд футуристических эскизов обитаемых стратосферных дирижаблей, экипаж которых мог бы даже выглядывать в открытые иллюминаторы без тяжёлого скафандра.

Если бы мы оказались в этом облачном мире, давление и температура не слишком бы помешали. А вот входящая в состав облаков серная кислота — другое дело. Отделаться просто дыхательной маской на Венере не выйдет. Людям, если они всё-таки доберутся до венерианской атмосферы, придётся защищаться как раз от тех капелек, в которых возможно есть жизнь.

О том, что в сернокислотном угаре (это не фигура речи: концентрация угарного газа на этой высоте близка к токсической) может быть жизнь, заговорили давно. Когда данные советских «Венер» и американского «Маринера-5» показали, что никаких джунглей с туземцами или хотя бы бактерий на поверхности быть не может — тогда же стало понятно, что «облака Венеры это совсем другая история».

Последнее утверждение принадлежит Гарольду Моровицу, биофизику из Йельского университета. Вместе со знаменитым Карлом Саганом он опубликовал в 1967 году короткую статью — или даже скорее эссе — в Nature. Там было сказано, что условия на высоте около 50 километров довольно сносные даже для известных нам бактерий. Полученные позже данные о наличии на той же высоте соединений серы добавили интриги, поскольку сероводород и диоксид серы явно должны были чем-то пополняться: но на роль биомаркеров эти газы не очень подходили из-за возможности их небиологического происхождения.

Другое косвенное свидетельство — темные пятна на ультрафиолетовых снимках, которые то появляются, то исчезают. Наблюдения при помощи нескольких разных инструментов, от «Хаббла» до камер на борту межпланетной станции MESSENGER, показали что за пару лет Венера в ближнем ультрафиолетовом диапазоне меняет свое альбедо (отражательную способность) вдвое, но что является тому причиной — неизвестно.

Это гигантские облака то ли с микроорганизмами, то ли с какой-то пока не установленной неорганикой — ученые снова оказались перед вопросом «или/или». Высказывались даже предположения, что организмы в облаках Венеры могут быть фотосинтезирующими — но опять-таки эта догадка опиралась лишь на весьма неоднозначные свойства атмосферы. Хотя на Земле и есть организмы, которые могут использовать для фотосинтеза не превращение воды (H2O) в кислород и четыре иона водорода (H+) с четырьмя электронами (e-), а реакцию, где сероводород H2S даёт два атома серы… и те же четыре электрона с четырьмя ионами водорода. Напомним, что фотосинтез нужен организмам не для получения кислорода, а для получения ионов.

Сероводородный фотосинтез для Венеры даже не нужно придумывать на кончике пера, он уже есть на Земле. Как есть и бактерии, живущие в кислой горячей среде. Но «пригодна для жизни» и «обитаема» — вовсе не синонимы. Более того, и в отношении многих полученных данных у научного сообщества нет единого мнения: в отчете Института космических исследований РАН можно найти указание на то, что аномальное потемнение Венеры в ультрафиолете может быть вовсе ошибкой наблюдения.

«Эта интерпретация данных VMC ошибочна, и кажущееся потемнение может полностью (или почти полностью) объясняться деградацией чувствительности матрицы VMC вследствие помутнения полимерного покрытия детектора», — пишут российские исследователи.

Как узнать правду?

Перечень вопросов без ответа в теме «Есть ли жизнь на Венере?» далеко не исчерпывается перечисленными выше «сколько всего там таких-то веществ?» и «насколько надежны данные с такого-то прибора?»

Даже если говорить о земном производстве фосфина, то мы примерно знаем, сколько его выделяется — но не до конца представляем себе все пути его синтеза живыми организмами. Мы не знаем точно, сколько на Земле бактерий, где они живут и чем дышат — классические микробиологические методы позволяют изучать лишь те микроорганизмы, которые могут расти в лабораториях. А таких, судя по всему, лишь несколько процентов: для изучения остальных нужны тонкие и сложные методы молекулярной биологии вроде сплошного чтения всей ДНК в образце грунта/ила/воды/иной анализируемой среды. Мы лишь недавно стали представлять даже собственный кишечный микробиом, не говоря уж о кожном или вагинальном.

Понять, где источник фосфина, в случае с Венерой поможет изучение верхних слоев атмосферы с аэростатов. Подобные аппараты уже запускались в рамках программы «Вега» в 1985 году и тогда с их помощью удалось обнаружить как венерианские молнии, так и активную циркуляцию в атмосфере. Но стоявшие в 1985 году на аэростатах приборы не позволяли проводить детальный химический анализ атмосферы.

Но с 1980-х годов техника несколько шагнула вперед и разрабатываемый с нулевых годов проект «Венера-Д» в одном из вариантов включает аэростаты, способные продержаться больше месяца. Аккумуляторы атмосферных зондов «Вег», для сравнения, сели через двое суток — и это было уже выдающимся результатом. Другое дело, что сроки запуска «Венеры-Д» постоянно откладываются: если в 2003 году рассчитывали на запуск «до 2015 года», то сегодня называется «после 2029». Возможно, индийский Shukrayaan-1 отправится даже раньше — впрочем, он гораздо скромнее по научным возможностям, да и индийская венерианская миссия тоже сталкивалась с недофинансированием.

Добавив спектрометры, учёные смогут более точно описать состав венерианской газовой оболочки. Знание состава атмосферы позволит проверить версии об абиогенном, без участия микроорганизмов, синтезе фосфина, а также проверить, какие именно вещества поглощают ультрафиолет. Но для прямого обнаружения венерианских бактерий также потребуются специализированные приборы. И тут пока готового решения нет — ближайший по срокам отправки на Венеру аппарат с аэростатным зондом, «Венера-Д», проектировался до получения новых данных. Поскольку до пуска в любом случае остается не меньше пяти лет (скорее — все десять), исследователи еще могут успеть адаптировать научную нагрузку аэростата для поиска бактерий. Если, конечно, к тому моменту не станет ясно, что фосфин все-таки абиогенный.

По словам Олега Кораблева, заведующего отделом физики планет Института космических исследований РАН, детально проработанных проектов прямого поиска бактерий в венерианской атмосфере пока нет. «Пока это домыслы; фосфин можно обнаружить с орбиты, мы собираемся это делать в кооперации с индийской миссией. Доказать или опровергнуть наличие жизни очень сложно, это пока непроработанная тема — ни у нас, ни где-то еще», — сказал он.

Поиск жизни — непростая задача, со времен «Викингов» люди не пытались напрямую искать внеземные микроорганизмы, и даже на Земле эту задачу решить легко. Мы, например, до сих пор точно не знаем, есть ли бактерии в антарктическом подледном озере Восток, хотя образцы воды и льда оттуда удалось получить.

NASA пока сосредоточено на Марсе и амбициозной программе по доставке образцов грунта оттуда, а венерианские программы находятся в стадии проектов, еще даже не получивших зеленый свет. Возможно, обнаружение фосфина заставит руководство космических агентств пересмотреть подход к оценке будущих миссий — но в любом случае разработка автономных межпланетных станций — дело небыстрое. Кидать один аппарат за другим, как делали в 1960-е годы, уже вряд ли станут и поэтому ученым и нам с вами придется подождать по меньшей мере до конца 2020-х годов.

Автор: Алексей Тимошенко

Ссылка на источник

Просмотров
Всего:
1 185 | За месяц: 345 | За неделю: 0 | За сутки: 0