Введение

Астробиология – это научная область в сфере наук о жизни и окружающей среде, изучающая происхождение, раннюю эволюцию, распространение и будущее жизни во Вселенной, исследуя её детерминированные условия и случайные события. Как дисциплина, астробиология основывается на предположении о возможности существования жизни за пределами Земли. Исследования в области астробиологии охватывают три основных направления: изучение обитаемых сред в Солнечной системе и за её пределами, поиск планетарных биосигнатур прошлой или настоящей внеземной жизни, а также изучение происхождения и ранней эволюции жизни на Земле. Возникновение астробиологии как научной области связано с XX веком, началом космических исследований и открытием экзопланет. Первые исследования в области астробиологии были сосредоточены на поиске внеземной жизни и изучении потенциала существования жизни на других планетах. Эти миссии, наряду с другими ранними космическими экспедициями, заложили основу для развития астробиологии как самостоятельной дисциплины. В отношении обитаемых сред, астробиология исследует потенциальные места за пределами Земли, способные поддерживать жизнь, такие как Марс, Европа и экзопланеты, изучая экстремофилов, населяющих суровые среды на Земле, например, вулканические и глубоководные. Исследования в этой области проводятся с использованием методологии наук о Земле, в особенности геобиологии, для астробиологических целей. Поиск биосигнатур включает в себя идентификацию признаков прошлой или настоящей жизни в виде органических соединений, изотопных соотношений или микроскопических окаменелостей. Исследования в этой области проводятся с использованием методологии планетарных и экологических наук, в особенности атмосферной науки, для астробиологических целей и часто осуществляются с помощью дистанционного зондирования и миссий in situ. Астробиология также изучает происхождение и раннюю эволюцию жизни на Земле, чтобы понять условия, необходимые для возникновения жизни на других планетах. Эти исследования направлены на то, чтобы выяснить, как жизнь возникла из неживой материи и как она эволюционировала до того разнообразия организмов, которое мы наблюдаем сегодня. Исследования в этой области проводятся с использованием методологии палео наук, в особенности палеобиологии, для астробиологических целей. Астробиология – это быстро развивающаяся область с выраженным междисциплинарным характером, представляющая множество вызовов и возможностей для учёных. Программы и исследовательские центры по астробиологии существуют во многих университетах и научно-исследовательских институтах по всему миру, а космические агентства, такие как NASA и ESA, имеют специализированные отделы и программы для проведения исследований в области астробиологии.

Обзор

Термин "астробиология" впервые был предложен российским астрономом Гавриилом Тиховым в 1953 году. Он этимологически происходит от греческих слов: ἄστρον – "звезда", βίος – "жизнь" и λογία – "изучение". Близким синонимом является экзобиология, образованное от греческих Έξω – "внешний", βίος – "жизнь" и λογία – "изучение", введенное американским молекулярным биологом Джошуа Ледербергом; экзобиология рассматривается как более узкая область, ограниченная поиском жизни за пределами Земли. Другой связанный термин – ксенобиология, от греческих ξένος – "чужой", βίος – "жизнь" и λογία – "изучение", придуманное американским писателем-фантастом Робертом Хайнлайном в его произведении "Звёздный зверь"; в настоящее время ксенобиология используется в более специализированном смысле, обозначая "биологию, основанную на чужой химии", независимо от того, имеет ли она внеземное или земное (обычно синтетическое) происхождение. Хотя возможность существования внеземной жизни, особенно разумной, рассматривалась на протяжении всей истории человечества в рамках философии и повествования, этот вопрос является проверяемой гипотезой и, следовательно, обоснованным направлением научного исследования; планетарный ученый Дэвид Гринспун называет эту область естественной философией, опирающейся на известные научные теории при рассуждениях о неизвестном. Современная астробиология берет свое начало в 1950-х и 1960-х годах, с началом космических исследований, когда ученые стали всерьез рассматривать возможность существования жизни на других планетах. В 1957 году Советский Союз запустил "Спутник-1" – первый искусственный спутник, ознаменовавший начало космической эры. Это событие привело к активизации изучения потенциала жизни на других планетах, поскольку ученые начали рассматривать возможности, открывшиеся благодаря новым технологиям освоения космоса. В 1959 году NASA профинансировало свой первый проект в области экзобиологии, а в 1960 году было основано Программа экзобиологии, которая в настоящее время является одним из четырех основных направлений текущей Программы астробиологии NASA. В 1971 году NASA финансировало проект "Циклоп" – часть программы поиска внеземного разума, направленную на поиск радиосигналов в электромагнитном спектре, передаваемых внеземной жизнью за пределами Солнечной системы. В 1960-х и 1970-х годах NASA реализовало программу "Викинг" – первую американскую миссию, совершившую посадку на Марс и искавшую метаболические признаки существующей жизни; результаты оказались неубедительными. В 1980-х и 1990-х годах область астробиологии начала расширяться и диверсифицироваться по мере появления новых открытий и технологий. Открытие микробной жизни в экстремальных условиях на Земле, таких как глубоководные гидротермальные источники, помогло подтвердить возможность существования жизни в суровых условиях. Разработка новых методов обнаружения биосигнатур, таких как использование стабильных изотопов, также сыграла важную роль в развитии этой области. Современный облик астробиологии сформировался в начале XXI века, с акцентом на использование наук о Земле и окружающей среде для изучения сравнительных космических сред. К числу миссий относятся "Бигл-2" Европейского космического агентства, потерпевший неудачу через несколько минут после посадки на Марс, посадочный модуль "Феникс" NASA, исследовавший окружающую среду на предмет прошлой и настоящей планетарной обитаемости микробной жизни на Марсе и изучавший историю воды, и марсоход "Кьюриосити" NASA, который в настоящее время исследует окружающую среду на предмет прошлой и настоящей планетарной обитаемости микробной жизни на Марсе.

Планетарная обитаемость

Астробиологические исследования делают ряд упрощающих предположений при изучении необходимых компонентов для планетарной обитаемости. Углерод и органические соединения: углерод – четвертый по распространенности элемент во Вселенной, и энергия, требуемая для образования или разрыва связи, находится на оптимальном уровне для построения молекул, которые одновременно стабильны и реакционноспособны. Способность атомов углерода легко соединяться друг с другом позволяет создавать чрезвычайно длинные и сложные молекулы. Таким образом, астробиологические исследования исходят из того, что подавляющее большинство форм жизни в галактике Млечный Путь основано на углеродной химии, как и вся жизнь на Земле. Однако теоретическая астробиология рассматривает возможность существования других органических молекулярных основ жизни, поэтому астробиологические исследования часто сосредоточены на выявлении сред, потенциально способных поддерживать жизнь на основе наличия органических соединений. Жидкая вода: жидкая вода – распространенная молекула, обеспечивающая отличную среду для формирования сложных углеродосодержащих молекул и обычно считающаяся необходимой для существования жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Следовательно, астробиологические исследования предполагают, что внеземная жизнь также зависит от доступа к жидкой воде и часто фокусируются на выявлении сред, потенциально способных поддерживать ее наличие. Некоторые исследователи рассматривают смеси воды и аммиака как возможные растворители для гипотетических типов биохимии. Стабильность окружающей среды: поскольку организмы адаптируются к условиям среды обитания, стабильность окружающей среды считается необходимой для существования жизни. Это подразумевает необходимость стабильной температуры, давления и уровня радиации; в результате астробиологические исследования сосредоточены на планетах, вращающихся вокруг звезд типа красных карликов, подобных Солнцу. Хотя длительный срок жизни красных карликов может позволить сформироваться обитаемым средам на планетах с плотной атмосферой. Это важно, поскольку красные карлики чрезвычайно распространены. (См. также: Обитаемость систем красных карликов). Источник энергии: предполагается, что любая жизнь во Вселенной также нуждается в источнике энергии. Ранее считалось, что этот источник обязательно должен быть звездой, подобной Солнцу, однако с развитием исследований экстремофилов современные астробиологические исследования часто сосредоточены на выявлении сред, потенциально способных поддерживать жизнь на основе доступности источника энергии, например, вулканической активности на планете или спутнике, которая может обеспечить тепло и энергию. Важно отметить, что эти предположения основаны на нашем текущем понимании жизни на Земле и условий, в которых она может существовать. По мере развития нашего понимания жизни и ее потенциала существовать в различных средах эти предположения могут измениться.

Исследования

Систематический поиск возможной жизни за пределами Земли – это обоснованное междисциплинарное научное начинание. Однако гипотезы и прогнозы относительно её существования и происхождения значительно различаются, и на данный момент разработка гипотез, имеющих прочную научную основу, можно считать наиболее конкретным практическим применением астробиологии. Предполагается, что вирусы, вероятно, будут обнаружены на других планетах, населённых жизнью, и могут присутствовать даже при отсутствии биологических клеток.

Результаты исследований

По состоянию на 2019 год никаких доказательств внеземной жизни обнаружено не было. Исследование метеорита Аллан Хиллз 84001, найденного в Антарктиде в 1984 году и происходящего с Марса, Дэвид Маккей и ещё несколько ученых считают содержащим микроокаменелости внеземного происхождения; эта интерпретация остаётся спорной. Метеорит Ямато 000593, второй по величине метеорит с Марса, был обнаружен на Земле в 2000 году. При микроскопическом изучении в метеорите обнаруживаются сферы, обогащённые углеродом, в отличие от окружающих областей, где таких сфер нет. Некоторые учёные NASA полагают, что эти углеродосодержащие сферы могли образоваться в результате биологической активности. 5 марта 2011 года Ричард Б. Гувер, учёный из Космического центра имени Маршалла, высказал предположение об обнаружении предполагаемых микроокаменелостей, напоминающих цианобактерии, в углеродистых метеоритах CI1 в малоизвестном журнале "Journal of Cosmology", что широко освещалось в основных СМИ. Однако NASA официально отстранилось от заявления Гувера. По словам американского астрофизика Нила де Грасса Тайсона: "В настоящий момент жизнь на Земле – единственная известная жизнь во Вселенной, но существуют веские аргументы в пользу того, что мы не одиноки".

Биология

Биология не может утверждать, что процесс или явление, будучи математически возможным, должно обязательно существовать в инопланетном теле. Биологи разграничивают спекулятивное и достоверное. До 1970-х годов считалось, что жизнь полностью зависит от энергии Солнца. Растения на поверхности Земли поглощают энергию солнечного света для фотосинтеза сахаров из углекислого газа и воды, высвобождая кислород, который затем потребляется кислорододышащими организмами, передавая энергию по пищевой цепи. Даже жизнь в океанских глубинах, куда не проникает солнечный свет, считалось, получает питание либо за счет потребления органического детрита, оседающего с поверхностных вод, либо поедая животных, которые им питаются. Считалось, что способность Земли поддерживать жизнь зависит от доступа к солнечному свету. Однако в 1977 году, во время исследовательского погружения к Галапагосскому рифту на глубоководном аппарате "Алвин", ученые обнаружили колонии гигантских трубчатых червей, моллюсков, ракообразных, мидий и других разнообразных существ, сгруппированных вокруг подводных вулканических образований, известных как "черные курильщики". Этот хемосинтез произвел революцию в биологии и астробиологии, показав, что жизнь не обязательно должна зависеть от солнечного света; ей требуется лишь вода и градиент энергии для существования. Биологи обнаружили экстремофилов, которые процветают в льду, кипящей воде, кислоте, щелочи, водном ядре ядерных реакторов, кристаллах соли, токсичных отходах и в целом ряде других экстремальных сред обитания, которые ранее считались непригодными для жизни. Это открыло новое направление в астробиологии, значительно расширив число возможных внеземных сред обитания. Изучение этих организмов, их среды обитания и эволюционных путей считается важнейшим компонентом для понимания того, как жизнь может развиваться в других частях Вселенной. Например, к организмам, способным выдерживать воздействие вакуума и радиации космического пространства, относятся лишайники Rhizocarpon geographicum и Rusavskia elegans, бактерия Bacillus safensis, Deinococcus radiodurans, спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад. Кроме того, ученый предположил, что эти соединения могут быть связаны с возникновением жизни на Земле, и отметил: "Если это так, то жизнь на Земле могла бы возникнуть легче, поскольку эти органические вещества могут служить основными строительными блоками жизни". Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) подвергаются воздействию межзвездной среды и преобразуются посредством гидрогенизации, оксигенизации и гидроксилирования в более сложные органические соединения – "шаг на пути к аминокислотам и нуклеотидам, исходному материалу для белков и ДНК соответственно". В октябре 2020 года астрономы предложили идею обнаружения жизни на далеких планетах путем изучения теней деревьев в определенное время суток для выявления закономерностей, которые можно было бы обнаружить при наблюдении за экзопланетами.

Гипотеза о редкой Земле

Гипотеза о редкой Земле постулирует, что многоклеточные формы жизни, существующие на Земле, могут быть гораздо более редким явлением, чем принято считать у ученых. Согласно этой гипотезе, жизнь на Земле (и особенно многоклеточная жизнь) стала возможной благодаря уникальному стечению благоприятных обстоятельств – местоположения в галактике, характеристик планетарной системы, звезды, орбиты, размера планеты, атмосферы и т.д. Вероятность повторения всех этих условий где-либо еще может быть крайне мала. Она предлагает возможное объяснение парадоксу Ферми, который ставит вопрос: "Если внеземные цивилизации распространены, почему мы их не наблюдаем?". Эта гипотеза, по-видимому, противопоставляется принципу заурядности, который поддерживали известные астрономы Фрэнк Дрейк, Карл Саган и другие. Принцип заурядности утверждает, что жизнь на Земле не является уникальной и, вероятно, существует на бесчисленном множестве других планет.

Общие ссылки

Международный журнал астробиологии, издаваемый Кембриджским университетом, служит платформой для специалистов в этой междисциплинарной области. Журнал "Астробиология", издаваемый Mary Ann Liebert, Inc., является рецензируемым изданием, посвященным исследованию происхождения жизни, ее эволюции, распространению и судьбе во Вселенной. Лоеб, Ави (2021). Внеземной: Первые признаки разумной жизни за пределами Земли. Houghton Mifflin Harcourt.