Одна из самых больших дискуссий в моём блоге на Хабре развернулась под статьёй «Укрощение кислорода и подводные камни терраформирования», опубликованной в апреле 2023 года (+69, 15k просмотров, 237 комментариев). В этой статье я затрагивал, в том числе, и тему «кислородной катастрофы», то есть, крайней губительности кислорода для первых анаэробных организмов. Об эволюционном смысле кислородной катастрофы подробно рассказывает знаменитый популяризатор науки Сергей Ястребов в статье «Кислородная революция и Земля-снежок», вышедшей в 2016 году в журнале «Химия и жизнь». Тема кислородной катастрофы на Хабре исследована слабо (но затрагивается в ещё одной чрезвычайно удачной статье «Мы уникальны. И, вероятно, одиноки», которую уважаемый @Barrayar опубликовал в блоге компании VK), поэтому заинтересовавшихся ею отсылаю, прежде всего, к статье господина Ястребова. Но здесь я затрону смежный вопрос, всерьёз интересующий современных астробиологов: а как быть с тем, что первая жизнь на Земле образовалась в практически бескислородный период, при отсутствии озонового слоя? Модели, описывающие роль ультрафиолета на ранних этапах биологической эволюции, сегодня даже заставляют выделять специфическую «ультрафиолетовую зону обитаемости» и присматриваться к доле ультрафиолетового излучения в спектре звёзд M и K (красных и оранжевых карликов). О соотношении убийственной и живительной роли звёздного ультрафиолета поговорим под катом. 

Продолжение эксперимента Миллера-Юри

С развитием подобных моделей вновь всё актуальнее становится знаменитый эксперимент, поставленный в 1953 году аспирантом Стэнли Миллером и его научным руководителем Гарольдом Юри, который ещё в 1934 году был удостоен Нобелевской премии по физике за открытие дейтерия и получение тяжёлой воды. Вот схема этого эксперимента:

Закачав в колбу газовую смесь, примерно соответствовавшую по химическому составу первичной земной атмосфере, учёные пропускали через неё электрические разряды, игравшие роль молний. В результате через неделю у них получился бурый «бульон», в котором образовалась достаточно сложная органика: липиды, предшественники нуклеотидов, а также 18 из 20 аминокислот, нужных для образования белков.

Впоследствии эксперимент многократно воспроизводили, корректируя набор входных соединений. Об одной из новейших попыток рассказал на Хабре уважаемый @VAE в статье «КЛЕТКА I, как возникает живая материя». В настоящее время известен химический состав атмосфер многих экзопланет, поэтому входные данные для эксперимента Миллера-Юри можно корректировать. Но я не нахожу данных о таких постановках эксперимента, где учитывалась бы и доза звёздного ультрафиолета, поступающего в смесь. Новейшие исследования, прослеживаемые примерно от 2018 года и до наших дней, позволяют предположить, что ранее недооценивалась роль ультрафиолета как в абиогенезе, так и при образовании одноклеточной жизни.

Сегодня известны тысячи экзопланет, но лишь несколько десятков из них схожи с Землёй по размерам и составу, а также расположены на подходящем расстоянии от светила, чтобы на поверхности этих миров вода могла подолгу сохраняться в жидком состоянии. Такая зона обитаемости отличается у звёзд разных спектральных классов. В книге Роберта Уоллеса «Biological Universe» (2020) указано, что у красных карликов зона обитаемости находится на расстоянии менее 0,8 астрономической единицы от звезды, а в системах голубых гигантов должна располагаться не менее чем в 100 астрономических единиц от звезды. Впрочем, согласно современным представлениям, автохтонная жизнь в системе голубого гиганта едва ли возможна, так как столь яркая звезда сгорает быстрее, чем за миллиард лет. Ранее в статье «Последнее лето Марса» я также на примере Солнечной системы рассматривал, как могут меняться границы зоны обитаемости.

Вот такой набросок «периодической системы экзопланет» был составлен в 2011 году по первым данным работы телескопа «Кеплер».

Соотношение этих классов планет в целом сохраняется. Каталог обновляется на сайте обсерватории в Аресибо, последние данные – по состоянию на март 2024 года.

Ультрафиолет как критерий обитаемости

В 2018 году группа исследователей под руководством Пола Риммера из Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете опубликовала в журнале «Science Advances» статью «О происхождении прекурсоров РНК на экзопланетах». Учёные смоделировали условия, которые привели на Земле к появлению первых микробных экосистем, в которых передача генетической информации происходила без участия ДНК, лишь при помощи РНК. Данный этап развития жизни называется «мир РНК». Феномен мира РНК (а также роль жёсткого ультрафиолета в химии этого мира) рассмотрены на Хабре в другой статье уважаемого @VAE «КЛЕТКА II, теории возникновения жизни», а более подробно — в статье «РНК у истоков жизни?», опубликованной в 2013 году на сайте «Биомолекула». Группа Риммера выделила несколько экзопланет, условия на которых должны быть близки не к современным земным экосистемам, а к тем, что существовали на нашей планете в период зарождения жизни. Авторы статьи впервые ввели термин «зона абиогенеза», более специализированный, чем термин «зона обитаемости». Эта модель, в частности, учитывала, какая доза ультрафиолета требуется для запуска химических реакций, продуктами которых являются незаменимые аминокислоты.

По-видимому, ровный и умеренный приток ультрафиолета необходим (в качестве катализатора) для запуска таких химических реакций, в результате которых возникают самовоспроизводящиеся молекулы. В описываемом опыте за основу взяли нетипичную смесь реактивов — в ней присутствовали циановодород (HCN), сероводород и ионы SO2, SO3 и HS. Затем смесь облучали переменными дозами ультрафиолета, но сама ёмкость была подобрана так, чтобы реакции протекали в темноте. Таким образом было учтено, что в архее Солнце только разгоралось, а на поверхности Земли царила полутьма, сравнимая с очень пасмурным днём.   

Оказалось, что простейшие реакции с органикой нормально протекают и в темноте, но медленнее, чем на свету. Оставалось выяснить, при какой инсоляции «дневная» химия возобладает над «ночной».

По данным исследования, достаточный уровень ультрафиолета могут обеспечить не менее яркие звёзды, чем карлики спектрального класса K. Солнце относится к более ярким звёздам спектрального класса G. На сайте обсерватории Аресибо, на который я ссылался выше, представлены две выборки скалистых планет, наиболее похожих на Землю (консервативная и оптимистическая). Согласно этим данным, большинство «земель» и «суперземель» находится в системах тусклых звёзд спектрального класса M, которые не дают достаточного притока ультрафиолета, спектр их излучения сдвинут в инфракрасную область. В консервативной выборке находим всего две планеты, удовлетворяющие «ультрафиолетовому критерию»:

В оптимистичной выборке находим 15 планет, удовлетворяющих ультрафиолетовому критерию. Здесь K – оранжевые карлики, G – жёлтые карлики (подобные Солнцу).

Большинство этих планет по нынешней классификации считаются суперземлями, но последние, которые я выделил голубым цветом, с высокой вероятностью являются нептунами или мининептунами. О зыбкости границы между землеподобными и нептуноподобными планетами я ранее писал в статье «Суперземля как иллюзия».

Обратите внимание: недостаток ультрафиолета означает лишь, что на многочисленных землеподобных планетах в системах красных карликов затруднено возникновение автохтонной примитивной жизни. Но при этом системы таких звёзд (к классу M относится и знаменитая TRAPPIST-1) могут оказаться вполне жизнепригодными для человека или быть заселены в результате панспермии. Но Риммер и коллеги предполагают, что и вероятность спонтанного зарождения жизни на таких планетах не исключена, так как на красных карликах обычны эпизодические вспышки, при которых доза ультрафиолета резко возрастает. Правда, такие вспышки должны происходить регулярно и достаточно часто, чтобы вызванные ими химические реакции не затухали. Учитывая, что потенциально обитаемая планета находится в непосредственной близости от красного карлика, вспышки жёсткого ультрафиолета не сулят ей ничего хорошего — в частности, могут постепенно лишить планету атмосферы. Тем не менее, шанс для возникновения белковых молекул и зарождения дарвиновской эволюции в таких условиях остаётся.

Ультрафиолет как фактор, ограничивающий жизнепригодность планет, в 2023 году привлёк внимание итальянских астробиологов под руководством Риккардо Спинелли из обсерватории Палермо. Их работа была разобрана в рунете в статье «Ультрафиолетовое излучение ограничивает зону обитаемости при формировании планет» на сайте IXBT, а первоисточник находится здесь. Спинелли с коллегами впервые предположили, что вокруг звезды можно выделить не одну, а две зоны, каждая из которых по-своему влияет на перспективы обитаемости. Это «околозвёздная зона обитаемости» (CHZ, «Circumstellar Habitability Zone») и «ультрафиолетовая зона обитаемости» (UHZ, «Ultraviolet Habitability Zone»). Авторы полагают, что обе эти зоны в процессе развития звезды постепенно смещаются, и наибольшие шансы на возникновение жизни возникают на тех планетах, которые оказываются в зоне взаимного перекрытия этих зон. Приведу диаграмму из этой статьи (здесь NUV – «ближний ультрафиолет», AU— «астрономическая единица»).

В целом выкладки итальянцев согласуются с данными, приведёнными выше (в частности, что касается маловероятности возникновения жизни в системе TRAPPIST). Но группа Спинелли справедливо указывает, что возникновение жизни зависит не только от ультрафиолетового критерия, но и, в частности, от вулканизма, а также от химического состава атмосферы и литосферы, поэтому все позиции на диаграмме являются приблизительными.

Ещё одно исследование, проведённое в 2017 году под руководством Сукрита Раньяна в Гарвард-Смитсоновском астрофизическом центре на базе Гарвардского университета, называется «The surface UV environment on planets orbiting M-dwarfs: implications for prebiotic chemistry & need for experimental follow-up» («Уровень ультрафиолета на поверхности планет в системах M-карликов: предрасположенность к пребиотической химии и необходимость дальнейшей экспериментальной проверки»). Эта статья позволяет предположить, что планеты, расположенные в системах красных карликов на удалении от звезды, допускающем стабильное существование поверхностных водоёмов, будут получать от 100 до 1000 раз меньше ультрафиолета, чем Земля в период формирования биосферы. Однако авторы не исключают, что жизнь может возникнуть и в таких условиях, только все биохимические процессы в такой среде будут протекать медленнее, чем на Земле.

Различная интенсивность ультрафиолета на разных стадиях развития M-карликов

В заключительной части этой публикации остановлюсь на статье «HAZMAT III. The UV Evolution of Mid- to Late-M Stars with GALEX», подготовленной в 2018 году Адамом Шнейдером и Евгенией Школьник из университета штата Аризона. В ней исследован массив данных, полученных космическим телескопом Galaxy Evolution Explorer (GALEX) агентства NASA, специально предназначенным для изучения красных карликов в ультрафиолетовом спектре. Под аббревиатурой HAZMAT здесь понимается феномен «Habitable Zones and M-dwarf Activity across Time» («Зоны обитаемости и активность М-карликов с точки зрения их развития с течением времени»). Как показало исследование, самые горячие красные карлики, находящиеся на ранних этапах развития, излучают гораздо больше ультрафиолета, чем более старые звёзды данного спектрального класса. Причём, ранние красные карлики излучают в основном дальний (более короткий) ультрафиолет, который был бы вреден и опасен для земной жизни.

Для организмов, подобных земным, такой ультрафиолет был бы убийственным, в крайнем случае, играл бы роль сильнейшего мутагенного фактора. Более того, при наличии атмосферы на облучаемой планете, этот ультрафиолет не давал бы образовываться соединениям кислорода (прежде всего, углекислому газу) и озону. Более того, он расщеплял бы не только озон, но и молекулы обычного кислорода, обогащая экосистемы атомарным кислородом, который обладает повышенной химической активностью и разрушительно влияет на биомолекулы.

Но и этот фактор требует дополнительного изучения. Исследование, проведённое в 2021 году в Потсдамском астрофизическом институте имени Лейбница группой под руководством Ильи и Екатерины Ильиных, учитывает, что зона конвекции в красных карликах простирается практически на всю глубину звезды:

В свою очередь, на Солнце зона конвекции занимает небольшой объём во внешней части светила:

Согласно имеющимся моделям, в красных звёздах с полной конвекцией вспышки ультрафиолета и факелы возникают исключительно в высоких широтах, между 55◦ и 81◦. Поэтому если плоскость эклиптики планет расположена на уровне звёздного экватора, эти выбросы большей частью не затрагивают планеты и не вредят их атмосферам.

Все упомянутые факторы сейчас можно оценивать лишь ориентировочно, так как без непосредственного наблюдения экзопланет мы вынуждены осторожно интерпретировать имеющиеся модели. Но могу предположить, что уровень ультрафиолета в системах далёких звёзд может быть опасен для жизни земного типа, но совершенно не отменяет возможность зарождения автохтонной жизни и её дальнейшей эволюции. Возможно, описанные условия более способствуют развитию мира РНК, чем земные экосистемы, либо, наоборот, могут привести к образованию более устойчивых ДНК-подобных молекул, в которых будет больше четырёх азотистых оснований — например, восемь. Биомолекула с восемью нуклеотидами была получена в лабораторных условиях японскими учёными в начале 2019 года и названа «хатимодзи-ДНК». О ней я собираюсь рассказать в отдельной публикации.