Введение

Вещество, предоставляющее научные доказательства существования жизни в прошлом или настоящем. Биосигнатура (иногда называемая химическим ископаемым или молекулярным ископаемым) – это любое вещество, такое как элемент, изотоп, молекула или явление, которое предоставляет научные доказательства жизни в прошлом или настоящем на планете. Измеримые признаки жизни включают в себя сложные физические или химические структуры, использование свободной энергии, а также образование биомассы и отходов. В астробиологии биосигнатуры используются как свидетельства в поисках внеземной жизни, существовавшей в прошлом или существующей в настоящем.

Жизнеспособность

Определение того, стоит ли исследовать потенциальную биосигнатуру, – фундаментально сложный процесс. Ученые должны рассмотреть любое и каждое возможное альтернативное объяснение, прежде чем прийти к выводу, что нечто является настоящей биосигнатурой. Такое рассмотрение включает в себя изучение мельчайших деталей, которые делают другие планеты уникальными, и понимание того, когда наблюдается отклонение от ожидаемых небиологических процессов, присутствующих на планете. В случае планеты, на которой есть жизнь, эти различия могут быть чрезвычайно малыми или вовсе отсутствовать, что затрудняет обнаружение биосигнатуры. Многолетние научные исследования привели к формулированию трех критериев, которым должна соответствовать потенциальная биосигнатура, чтобы считаться перспективной для дальнейшего изучения: достоверность, сохранность и обнаружимость.

Надежность

Биосигнатура должна преобладать над всеми другими процессами, которые могут создавать схожие физические, спектральные и химические признаки. При изучении потенциальной биосигнатуры ученые должны внимательно учитывать все другие возможные источники этой биосигнатуры. Многие формы жизни способны имитировать геохимические реакции. Одна из теорий происхождения жизни предполагает, что молекулы приобретали способность катализировать геохимические реакции, чтобы использовать высвобождаемую ими энергию. Это одни из самых ранних известных метаболизмов (см. метаногенез). В таких случаях ученые могут искать нарушение равновесия в геохимическом цикле, указывающее на то, что реакция происходит чаще или реже, чем следовало бы. Такое нарушение равновесия можно интерпретировать как признак жизни. Эти побочные продукты могут служить отличными биосигнатурами, поскольку они предоставляют непосредственные доказательства существования жизни. Однако, чтобы побочный продукт мог быть признан достоверной биосигнатурой, он должен сохраняться в неизменном виде, чтобы ученые могли его обнаружить.

Обнаружимость

Для того чтобы биосигнатура была значима для научного исследования, она должна быть обнаруживаема с помощью существующих технологий. Это может показаться очевидным, однако существует множество сценариев, при которых жизнь может существовать на планете, но оставаться необнаруженной из-за ограничений, связанных с человеческой деятельностью.

Ложноположительные результаты

Каждая возможная биосигнатура связана со своим собственным набором уникальных механизмов ложных срабатываний или небиологических процессов, которые могут имитировать обнаруживаемый признак биосигнатуры. Важным примером служит использование кислорода в качестве биосигнатуры. На Земле большинство жизни построено на основе кислорода. Он является побочным продуктом фотосинтеза и впоследствии используется другими организмами для дыхания. Кислород также легко обнаруживается в спектрах, имеет множество полос в относительно широком диапазоне длин волн, и поэтому является хорошей биосигнатурой. Однако, обнаружение только кислорода в атмосфере планеты недостаточно для подтверждения наличия биосигнатуры из-за связанных с ним механизмов ложных срабатываний. Одна из возможностей заключается в том, что кислород может образовываться абиотически посредством фотолиза при низком содержании неконденсирующихся газов или при значительной потере воды планетой. Поиск и различение биосигнатуры и ее потенциальных механизмов ложных срабатываний – одна из самых сложных задач при проверке возможности существования жизни, поскольку это требует человеческой изобретательности для преодоления абиотической биологической неоднозначности, если это допускается природой.

Ложные отрицательные

В отличие от ложноположительных результатов, ложноотрицательные биосигнатуры возникают, когда жизнь может существовать на другой планете, но некоторые процессы на ней делают потенциальные биосигнатуры необнаружимыми. Это актуальная проблема и область исследований, проводимых в преддверии создания будущих телескопов, способных анализировать атмосферы экзопланет.

Человеческие ограничения

Существует множество способов, которыми человеческая деятельность может ограничить достоверность потенциальной биосигнатуры. Разрешающая способность телескопа становится критически важной при исключении определенных механизмов ложных срабатываний, и многие современные телескопы не обладают возможностями наблюдений с необходимым разрешением для изучения некоторых из них. Кроме того, разработка зондов и телескопов ведется крупными научными коллаборациями с различными приоритетами. В результате новые зонды и телескопы оснащаются разнообразным набором инструментов, представляющим собой компромисс между потребностями разных исследователей. Для того, чтобы ученый, работающий в другой области, мог обнаружить что-то, не связанное с биосигнатурами, может потребоваться снижение эффективности инструментов, предназначенных для поиска биосигнатур.

Геомикробиологии

Древние геологические записи Земли предоставляют возможность изучить, какие геохимические сигнатуры создаются микробной жизнью и как эти сигнатуры сохраняются в течение геологического времени. Такие смежные дисциплины, как геохимия, геобиология и геомикробиология, часто используют биосигнатуры для определения наличия или предшествующего существования живых организмов в образце. Эти потенциальные биосигнатуры включают: (a) микроокаменелости и строматолиты; (b) молекулярные структуры (биомаркеры) и изотопный состав углерода, азота и водорода в органическом веществе; (c) множественные соотношения изотопов серы и кислорода в минералах; и (d) соотношения содержания и изотопный состав металлов, чувствительных к окислительно-восстановительным условиям (например, Fe, Mo, Cr и редкоземельных элементов). Например, конкретные жирные кислоты, обнаруженные в образце, могут указывать на типы бактерий и архей, обитающих в данной среде. Другой пример – длинноцепочечные жирные спирты, содержащие более 23 атомов, которые производятся планктонными бактериями. В этом контексте геохимики часто предпочитают термин «биомаркер». Еще один пример – наличие липидов с прямой цепью в форме алканов, спиртов и жирных кислот, содержащих от 20 до 36 атомов углерода, в почвах или отложениях. Торфяные отложения свидетельствуют о происхождении из эпикутикулярного воска высших растений. Жизненные процессы могут создавать широкий спектр биосигнатур, таких как нуклеиновые кислоты, липиды, белки, аминокислоты, керогеноподобные вещества и различные морфологические признаки, обнаруживаемые в породах и отложениях. Микробы часто взаимодействуют с геохимическими процессами, оставляя в горных породах признаки, указывающие на биосигнатуры. Например, бактериальные поры микрометрового размера в карбонатных породах напоминают включения при проходящем свете, но отличаются размерами, формой и рисунком (завихрениями или дендритными структурами) и распределены иначе, чем обычные флюидные включения. Потенциальная биосигнатура – это явление, которое могло быть создано жизнью, но для которого также возможно альтернативное абиотическое происхождение.

Морфология

Другой возможный биосигнатур – это морфология, поскольку форма и размер определенных объектов могут потенциально указывать на наличие прошлой или настоящей жизни. Например, микроскопические кристаллы магнетита в марсианском метеорите ALH84001 являются одним из наиболее обсуждаемых из нескольких потенциальных биосигнатур в этом образце. Возможный биоминерал, изученный в марсианском метеорите ALH84001, включает предполагаемые микробные окаменелости – крошечные структуры, похожие на горные породы, форма которых могла быть биосигнатурой, поскольку она напоминала известные бактерии. Большинство ученых в конечном итоге пришли к выводу, что эти структуры были слишком малы, чтобы быть окаменелыми клетками. Консенсус, возникший в ходе этих дискуссий и теперь рассматриваемый как критическое требование, заключается в необходимости дополнительных доказательств, помимо любых морфологических данных, подтверждающих столь экстраординарные утверждения. Интерпретация морфологии печально известна своей субъективностью, и ее использование в одиночку приводило к многочисленным ошибкам интерпретации. Например, мембранные липиды, оставшиеся от разрушенных клеток, будут концентрированными, иметь ограниченный диапазон размеров и состоять из четного числа атомов углерода. Аналогично, жизнь использует только L-аминокислоты. Химические биосигнатуры включают в себя любые комплексы сложных органических соединений, состоящих из углерода, водорода и других элементов или гетероатомов, таких как кислород, азот и сера, которые обнаруживаются в сырой нефти, битуме, нефтяных породах и в конечном итоге демонстрируют упрощение молекулярной структуры по сравнению с исходными органическими молекулами, присутствующими во всех живых организмах. Это сложные молекулы на основе углерода, происходящие из ранее живших организмов. Каждый биомаркер уникален по сравнению со своими аналогами, поскольку время, необходимое для преобразования органического вещества в сырую нефть, является характерным. Большинство биомаркеров также обычно имеют высокую молекулярную массу. Примеры биомаркеров, обнаруженных в нефти, включают пристаны, тритерпаны, стераны, фитаны и порфирины. Такие нефтяные биомаркеры производятся путем химического синтеза с использованием биохимических соединений в качестве основных компонентов. Например, тритерпены происходят из биохимических соединений, обнаруженных в наземных растениях-цветковых. Из-за обилия нефтяных биомаркеров в небольших количествах в их резервуаре или исходной породе необходимо использовать чувствительные и дифференцированные подходы для анализа их присутствия. Обычно используются методы газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Нефтяные биомаркеры имеют большое значение при инспекции нефти, поскольку они помогают определить территории отложений и установить геологические свойства нефти. Например, они предоставляют более подробную информацию об их зрелости и исходном материале. Кроме того, они могут служить хорошими параметрами возраста и поэтому технически называются «химическими ископаемыми». Отношение пристано к фитану (pr:ph) является геохимическим фактором, позволяющим нефтяным биомаркерам успешно указывать на условия их отложения. Геологи и геохимики используют следы биомаркеров, обнаруженных в сырой нефти и связанных с ней породах, для определения стратиграфического происхождения и моделей миграции существующих нефтяных месторождений. Распределение молекул биомаркеров также весьма специфично для каждого типа нефти и ее источника, поэтому они демонстрируют уникальные «отпечатки пальцев». Еще одним фактором, делающим нефтяные биомаркеры более предпочтительными, чем их аналоги, является их высокая устойчивость к выветриванию и коррозии окружающей среды. Такие биомаркеры очень полезны и часто используются для обнаружения разливов нефти в крупных водоемах. Однако анализ биомаркеров необработанных образцов пород может привести к вводящим в заблуждение результатам из-за потенциального загрязнения углеводородами и биодеградации в образцах горных пород.

Атмосферный

Атмосферные свойства экзопланет имеют особое значение, поскольку именно атмосферы предоставляют наиболее вероятные объекты для наблюдений в ближайшем будущем, включая индикаторы обитаемости и биосигнатуры. В течение миллиардов лет процессы жизнедеятельности на планете привели бы к образованию смеси химических веществ, несвойственной обычному химическому равновесию. Например, жизнь на Земле производит большое количество кислорода и небольшое количество метана. Цвет экзопланеты, или её спектр отражения, также может служить биосигнатурой благодаря влиянию пигментов уникально биологического происхождения, таких как пигменты фототрофных и фотосинтезирующих организмов. Ученые используют Землю как пример, рассматривая её с большого расстояния (см. "Бледная голубая точка") для сравнения с мирами, наблюдаемыми за пределами нашей Солнечной системы. Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на живые организмы, может вызывать биофлуоресценцию в видимом диапазоне, которую могут зарегистрировать разрабатываемые космические обсерватории нового поколения. Некоторые ученые сообщали о методах обнаружения водорода и метана во внеземных атмосферах. Индикаторы обитаемости и биосигнатуры необходимо интерпретировать в планетарном и экологическом контексте. Две из 14 000 предложенных биосигнатур атмосферы – диметилсульфид и хлорометан (CH3Cl). Обнаружение фосфина в атмосфере Венеры изучается как потенциальная биосигнатура.

Атмосферное дисбаланс

Неравновесие в количестве газовых компонентов в атмосфере может интерпретироваться как биосигнатура. Жизнь значительно изменила атмосферу Земли таким образом, что повторить это другими процессами было бы крайне маловероятно. Следовательно, отклонение от равновесия служит признаком биосигнатуры. Например, обилие метана в атмосфере Земли на несколько порядков превышает равновесное значение из-за постоянного потока метана, выделяемого живыми организмами на поверхности. В зависимости от типа звезды, неравновесие в количестве метана на другой планете может указывать на наличие биосигнатуры.

Биосигнатуры

Поскольку единственная известная форма жизни существует на Земле, поиск биосигнатур в значительной степени ориентирован на продукты жизнедеятельности земных организмов. Однако жизнь, отличная от земной, всё равно может производить обнаружимые человеком биосигнатуры, даже если ничего не известно об их конкретной биологии. Такая форма биосигнатуры называется "агностической биосигнатурой", поскольку она не зависит от формы жизни, которая её создаёт. Общепринято, что любая жизнь – независимо от того, насколько она отличается от земной – нуждается в источнике энергии для существования. Это предполагает наличие некоторого химического неравновесия, которое может быть использовано для метаболизма. Беннер и другие предложили методы концентрирования и анализа этих полиэлектролитных генетических биополимеров на Марсе, Энцеладе и Европе.

Метан на Марсе

Наличие метана в атмосфере Марса является областью продолжающихся исследований и весьма спорным вопросом. В силу его тенденции разрушаться в атмосфере под воздействием фотохимии, присутствие избыточного метана на планете может указывать на наличие активного источника. Поскольку жизнь является наиболее мощным источником метана на Земле, обнаружение дисбаланса в концентрации метана на другой планете может служить достоверной биосигнатурой. С 2004 года различными приборами на борту орбитальных аппаратов, посадочных модулей на поверхности Марса, а также наземными телескопами было зарегистрировано несколько случаев обнаружения метана в атмосфере Марса. Эти миссии сообщали о значениях в диапазоне от "фонового уровня" от 0,24 до 0,65 частей на миллиард по объему (p. p. b. v.) до 45 ± 10 p. p. b. v.

Однако, недавние измерения, выполненные с помощью приборов ACS и NOMAD на борту орбитального аппарата ESA Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, не выявили метана в широком диапазоне широт и долгот обоих полушарий Марса. Эти высокочувствительные приборы позволили установить верхний предел общей концентрации метана на уровне 0,05 p. p. b. v. Это отсутствие обнаружения является серьезным противоречием предыдущим наблюдениям, выполненным с помощью менее чувствительных приборов, и останется весомым аргументом в продолжающихся дебатах о наличии метана в атмосфере Марса. Более того, современные фотохимические модели не могут объяснить присутствие метана в атмосфере Марса и его зарегистрированные быстрые изменения в пространстве и времени. Пока не найдено объяснений ни его быстрому появлению, ни его исчезновению. Для исключения биогенного происхождения метана потребуется будущий зонд или посадочный модуль, оснащенный масс-спектрометром, поскольку изотопные соотношения углерода-12 к углероду-14 в метане могут помочь отличить биогенное происхождение от небиогенного, подобно использованию стандарта δ13C для идентификации биогенного метана на Земле.

Марсианская атмосфера

Марсианская атмосфера содержит высокое содержание CO и H2, образованных фотохимически, которые являются восстановителями. В остальном атмосфера Марса преимущественно окислительная, что создает неиспользованный источник энергии, который жизнь могла бы использовать, если бы ее метаболизм был совместим с одной или обеими этими восстанавливающими молекулами. Поскольку эти молекулы можно обнаружить, ученые рассматривают это как свидетельство антибиосигнатуры. Ученые использовали эту концепцию как аргумент против существования жизни на Марсе.

Миссии внутри Солнечной системы

Астробиологические исследования базируются на предпосылке, что биосигнатуры, обнаруженные в космосе, будут узнаваемы как признаки внеземной жизни. Ценность биосигнатуры определяется не только вероятностью её возникновения под воздействием жизни, но и крайне низкой вероятностью её образования в результате небиологических (абиотических) процессов. Подтверждение обнаружения свидетельств внеземной жизни (существующей в прошлом или настоящем) требует доказательства того, что потенциальная биосигнатура является результатом жизнедеятельности или остатков живых организмов.

Научная лаборатория Марса

Марсоход Curiosity из миссии "Марсианская научная лаборатория" в настоящее время оценивает потенциальную обитаемость Марса в прошлом и настоящем и пытается обнаружить биосигнатуры на поверхности планеты. Основная цель миссии ровера "Розалинда Франклин" – поиск биосигнатур на поверхности и под поверхностью Марса с использованием бура, способного собирать образцы на глубину до 2 метров, вдали от разрушительного излучения, достигающего поверхности.

Марс 2020 Ровер

Марсоход Mars 2020, запущенный в 2020 году, предназначен для изучения древней среды на Марсе, имеющей отношение к астробиологии, исследования поверхностных геологических процессов и истории планеты, включая оценку ее прошлой обитаемости, возможности существования жизни в прошлом на Марсе и потенциала сохранения биосигнатур в доступных геологических материалах. Помимо этого, он заберет наиболее интересные образцы для возможной будущей доставки на Землю.

Титанский Лебедь

Концепция посадочного аппарата / летательного аппарата Dragonfly, разрабатываемая NASA, планируется к запуску в 2025 году. Она будет искать признаки биосигнатур на богатой органическими веществами поверхности и в атмосфере Титана, а также изучать возможность существования там пребиотического первобытного бульона. Титан – крупнейший спутник Сатурна, который, как полагают, обладает обширным подповерхностным океаном, состоящим из соленого раствора. Кроме того, ученые считают, что на Титане могут существовать условия, способствующие развитию пребиотической химии, что делает его одним из главных кандидатов для обнаружения биосигнатур.

"Европа Клипер"

Зонд NASA Europa Clipper разработан для пролётных миссий к самому маленькому галилеевскому спутнику Юпитера, Европе. Запуск зонда запланирован на 2024 год, и он будет исследовать потенциальную обитаемость Европы. Европа – один из наиболее вероятных кандидатов для обнаружения биосигнатур в Солнечной системе, поскольку существует научный консенсус относительно наличия подповерхностного океана, объем воды в котором в два-три раза превышает объём воды на Земле. Свидетельства в пользу существования этого подповерхностного океана включают:

«Вояджер-1» (1979): Получены первые снимки Европы с близкого расстояния. Ученые предположили, что подповерхностный океан может быть причиной тектонических образований на поверхности. «Галилео» (1997): Магнетометр на борту этого зонда зафиксировал незначительное изменение магнитного поля вблизи Европы. Это впоследствии было интерпретировано как возмущение ожидаемого магнитного поля, вызванное индукцией тока в проводящем слое на Европе. Состав этого проводящего слоя соответствует соленому подповерхностному океану. Космический телескоп Хаббл (2012): Получено изображение Европы, на котором видны признаки выброса водяного пара с поверхности. Зонд Europa Clipper будет оснащен приборами для подтверждения существования и определения состава подповерхностного океана и толстого ледяного слоя. Кроме того, он составит карту поверхности для изучения особенностей, которые могут указывать на тектоническую активность, обусловленную подповерхностным океаном.

Поиски за пределами Солнечной системы

На расстоянии 4,2 световых лет (1,3 парсека, 40 триллионов км или 25 триллионов миль) от Земли, ближайшей потенциально обитаемой экзопланетой является Проксима Центавра b, обнаруженная в 2016 году. Это означает, что для достижения её потребуется более 18 100 лет, если бы корабль мог постоянно двигаться со скоростью космического аппарата "Юнона" (250 000 километров в час или 150 000 миль в час). В настоящее время отправка людей или даже зондов для поиска биосигнатур за пределами Солнечной системы невозможна. Единственный способ поиска биосигнатур за пределами Солнечной системы – наблюдение за экзопланетами с помощью телескопов. Никаких достоверных или подтвержденных обнаружений биосигнатур за пределами Солнечной системы пока не зарегистрировано. Несмотря на это, данная область исследований стремительно развивается благодаря перспективам, открываемым новым поколением телескопов. Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный в декабре 2021 года, станет многообещающим следующим шагом в поиске биосигнатур. Хотя его диапазон длин волн и разрешение не позволят исследовать некоторые важные газовые полосы в атмосфере, связанные с биосигнатурами, такие как кислород, он всё же сможет обнаружить некоторые свидетельства механизмов, приводящих к ложноположительным результатам при обнаружении кислорода. Новое поколение наземных телескопов класса 30 метров (Тридцатиметровый телескоп и Чрезвычайно большой телескоп) сможет получать спектры экзопланетных атмосфер с высоким разрешением в широком диапазоне длин волн. Эти телескопы смогут различать некоторые из наиболее сложных механизмов ложноположительных результатов, например, абиотическое накопление кислорода в результате фотолиза. Кроме того, большая площадь их зеркала обеспечит высокое угловое разрешение, что сделает более реалистичными исследования, основанные на получении прямых изображений.