Есть ли у нас предвзятость, связанная с необходимостью наличия планеты, когда речь заходит о понимании того, где жизнь может развиваться? Если есть – то это вполне естественно. В конце концов, мы живём на одной из таких планет.

Однако планеты могут быть вовсе не обязательны для жизни, и пара учёных из Шотландии и США предлагает нам пересмотреть это мнение.

Мы считаем планеты средой обитания жизни, потому что они отвечают условиям, необходимым для её выживания. Жидкая вода, подходящая температура и давление, чтобы поддерживать её в жидком состоянии, и защита от вредного излучения — вот основные требования для фотосинтетической жизни. Но что если другие среды, даже те, которые поддерживаются самими организмами, также могут обеспечить эти необходимые условия?

В новом исследовании, опубликованном в журнале Astrobiology, учёные отмечают, что экосистемы могут создавать и поддерживать условия, необходимые для их собственного выживания, не нуждаясь в планете. Работа называется «Самоподдерживающиеся живые среды обитания во внеземном окружении». Авторы работы — Робин Вордсворт, профессор наук о Земле и планетах в Гарварде, и Чарльз Кокелл, профессор астробиологии в Школе физики и астрономии Эдинбургского университета.

«Стандартные определения обитаемости предполагают, что для жизни необходимо наличие планетарных гравитационных колодцев, которые стабилизируют жидкую воду и регулируют температуру поверхности, — пишут они. — Здесь оцениваются последствия ослабления этого предположения».

Вордсворт и Кокелл пишут, что биологически созданные барьеры и структуры могут имитировать планетарные условия, обеспечивающие жизнь без планеты. Они могут пропускать свет для фотосинтеза, блокируя при этом ультрафиолетовое излучение. Они также могут предотвращать потерю летучих веществ в вакууме и поддерживать температуру и давление, необходимые для того, чтобы вода оставалась в жидком состоянии.

«Биологические барьеры, способные пропускать видимое излучение, блокировать ультрафиолет, поддерживать температурные градиенты 25-100°К и разницу давлений 10 кПа по сравнению с вакуумом космоса, могут обеспечить пригодные для жизни условия между 1 и 5 астрономическими единицами в Солнечной системе», — пишут они.

«Чтобы понять рамки, в которые должна вписываться жизнь за пределами Земли, мы можем начать с анализа того, почему наша родная планета является хорошей средой обитания для жизни в первую очередь», — пишут авторы.

Земля не просто обеспечивает жидкую воду и защиту от радиации. Это целая система со сложными взаимодействующими слоями. Поверхность планеты находится под воздействием легкодоступного источника энергии Солнца, который приводит в движение всю биосферу. Элементы, которые мы считаем необходимыми для жизни, доступны, хотя иногда и ограничены: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Они циркулируют в биосфере благодаря вулканизму и тектонике плит и снова становятся доступными. Также в атмосфере и на поверхности Земли происходят окислительные процессы, а в других местах — таких, как осадочные породы и глубокие недра — восстановительные. Это позволяет «использовать окислительно-восстановительные градиенты для метаболических целей», — объясняют авторы.

Таких условий не найти в других местах. Астробиология присматривается к замёрзшим спутникам Солнечной системы из-за их тёплых, солёных океанов. Но есть ли у них питательные циклы?

Маломассивные объекты во внешней части Солнечной системы имеют большую площадь поверхности, но энергия Солнца слаба. Они вряд ли смогут удержать свои атмосферы, поэтому давление и температура, необходимые для существования жидкой воды, недоступны. Они также не защищены от ультрафиолетового излучения и космических лучей.

«Чтобы выжить за пределами Земли, — пишут авторы, — любой живой организм должен настолько измениться или адаптироваться к окружающей среде, чтобы преодолеть эти трудности».

Авторы пишут, что биологические материалы здесь, на Земле, уже могут это делать. Вполне вероятно, что экосистемы могут создать условия для собственного выживания, и если фотосинтетическая жизнь может сделать это в вакууме космоса, то и мы сможем. Это было бы большим преимуществом для освоения космоса человеком.

Всё начинается с воды, а когда речь заходит о жидкой воде, учёные ссылаются на её тройную точку. Тройная точка — это термодинамическая точка отсчёта, которая объясняет фазовые переходы и поведение воды при различных давлениях и температурах. «Минимальное давление, необходимое для поддержания жидкого состояния воды, — это тройная точка: 611,6 Па при 0°С (273 К), — объясняют исследователи. При температуре от 15 до 25 градусов Цельсия это значение возрастает до нескольких кПа».

Цианобактерии могут расти при давлении в воздушном пространстве в 10 кПа, если свет, температура и pH находятся в нужных диапазонах. Вопрос в том, могут ли известные нам живые существа создать стенки, способные поддерживать давление в 10 кПа?

«Разница давлений порядка 10 кПа легко поддерживается биологическими материалами и фактически является обычным явлением для макроскопических организмов на Земле, — пишут авторы. — Повышение кровяного давления от головы до ступней человека ростом 1,5 м составляет около 15 кПа». Морские водоросли также могут поддерживать давление 15-25 кПа во внутренних поплавковых узлах за счёт выделения CO2 в процессе фотосинтеза.

Следующим фактором, определяющим наличие жидкой воды, является температура. Земля поддерживает свою температуру благодаря атмосферному парниковому эффекту. Но небольшие скалистые тела, например, вряд ли способны на это. «Следовательно, биологическая среда обитания должна достигать того же эффекта с помощью физики твёрдого тела», — пишут авторы.

Входящая и исходящая энергия должны быть сбалансированы, и некоторые организмы на Земле эволюционировали, чтобы поддерживать этот баланс. «Например, сахарские серебряные муравьи развили способность повышать как отражательную способность своей поверхности в ближнем инфракрасном диапазоне, так и тепловую излучательную способность, что позволяет им выживать при температуре окружающей среды выше, чем у всех остальных известных членистоногих», — пишут Вордсворт и Кокелл. Это позволяет им выживать, добывая пищу в разгар дня, когда хищники должны держаться подальше от солнца.

Люди создали кремнезёмные аэрогели с чрезвычайно низкой плотностью и теплопроводностью. Хотя прямых биологических аналогов не существует, авторы пишут, что «в природе существует множество организмов, которые производят сложные кремнезёмные структуры».

В самом деле, некоторые диатомовые водоросли могут создавать кремнезёмные структуры, манипулируя частицами кремнезёма меньшего размера, чем те, которые используются в наших производственных процессах. Аэрогели, изготовленные из органических материалов, имеют схожие характеристики с искусственными. «Учитывая это, можно предположить, что высокоизолирующие материалы могут быть произведены искусственно из биогенного сырья или даже непосредственно живыми организмами», — пишут авторы.

Авторы подсчитали, что в таких структурах можно поддерживать нужную температуру и давление для сохранения жидкой воды.

«Как видно, поддержание внутренней температуры на уровне 288°К возможно в широком диапазоне орбитальных расстояний, — поясняют они. — Этот расчёт предполагает наличие свободно перемещающейся в космосе среды обитания, но аналогичные соображения применимы и к среде обитания на поверхности астероида, спутника или планеты».

Потеря летучих веществ — ещё одна проблема. Среда обитания, не способная удерживать атмосферу, не может поддерживать температуру и давление, необходимые для существования жидкой воды. «Все материалы обладают определённой проницаемостью для атомов и мелких молекул, и в течение длительного времени вакуум космоса представляет собой по сути постоянный поглотитель летучих веществ», — объясняют авторы.

Эту проблему можно решить с помощью тех же барьеров, которые поддерживают давление и температуру. «Запрет на утечку летучих веществ будет легче всего достичь с помощью той же части стенки среды обитания, которая отвечает за поддержание разницы давления, необходимой для стабилизации жидкой воды», — пишут авторы.

Авторы также рассматривают влияние ультрафиолетового излучения. Радиация может быть смертельно опасной, но на Земле есть примеры жизни, которая эволюционировала, чтобы справиться с ней. «Однако оно легко блокируется такими соединениями, как аморфный кремнезём и восстановленное железо, которые ослабляют ультрафиолет в силицированных биоплёнках и строматолитах сегодня, не блокируя видимое излучение, необходимое для фотосинтеза», — пишут авторы.

Доступность солнечной энергии для фотосинтеза, вероятно, не является особым препятствием во многих частях Солнечной системы. Авторы отмечают, что арктические водоросли растут при крайне слабом освещении подо льдом.

Потребуется и некий круговорот питательных веществ, как на Земле. «В долгосрочной перспективе дополнительным фактором является способность замкнутой экосистемы перерабатывать отходы, такие как не поддающееся восстановлению органическое вещество, и поддерживать внутренние окислительно-восстановительные градиенты», — объясняют авторы. Экстремальная жара в недрах Земли справляется с этой задачей, но без таких экстремальных условий «полностью замкнутая экосистема в космосе потребует определённой внутренней компартментализации для создания химических градиентов и специализированной биоты, способной расщеплять не поддающиеся восстановлению отходы», — пишут авторы.

В своей статье авторы рассматривают и другие факторы, такие как размер клетки, а также факторы, ограничивающие размер одноклеточных организмов и более крупных, сложных организмов. Они приходят к выводу, что полностью автономные живые среды обитания не исключены. «Тем не менее, полностью автономная система, способная к регенерации и росту, очевидно, не запрещена никакими физическими или химическими ограничениями, и поэтому её интересно рассмотреть немного подробнее», — пишут они.

Всё это возможно с тем условием, что система может восстанавливать свои защитные стенки. Авторы отмечают, что существующая фотосинтетическая жизнь уже может производить аморфный кремний и органические полимеры. Эти материалы могут служить стенами и, по крайней мере, показывают, что существует путь, по которому организмы могут эволюционировать для создания стен среды обитания. «Более автономная среда обитания могла бы сама выращивать материал для стен, подобно тому, как растительные клетки регенерируют свои собственные стены в микрометровом масштабе», — объясняют они.

Мы склонны думать, что если жизнь существует где-то ещё, то она идёт по тому же эволюционному пути, что и на Земле, но это может быть не так. «Поскольку эволюция жизни в других местах могла идти совсем не так, как на Земле, живые среды обитания могут существовать и за пределами традиционной пригодной для жизни среды вокруг других звёзд, где они будут иметь необычные, но потенциально обнаруживаемые биопризнаки», — пишут авторы.

Авторы задаются вопросом: «Могут ли биологические структуры, которые мы здесь обсуждаем, развиваться естественным путём, без вмешательства разума?» Они утверждают, что неразумная жизнь может поддерживать все условия, необходимые для выживания во внеземной среде.

«Жизнь на Земле ещё не сделала этого, хотя, безусловно, со временем адаптировалась ко всё более широкому спектру условий окружающей среды, — заключают они. — Изучение правдоподобности различных путей эволюции жизни в альтернативных планетарных пограничных условиях станет интересной темой для будущих исследований».