Для поиска жизни на других мирах нужен способ определения химического состава их атмосфер. Если бы инопланетяне наблюдали за Землёй в поисках жизни, они бы искали определённые признаки её наличия в атмосфере планеты. А среди них в первую очередь — наличие кислорода, поскольку он образуется в процессе фотосинтеза растениями и некоторыми бактериями. Значит, главное — искать на экзопланетах химические «сигналы», показывающие наличие веществ, зависящих от жизни.

Космический телескоп им. Джеймса Уэбба изучает атмосферы экзопланет, открывая новые возможности для поиска жизни в других местах. С помощью него и других мощных обсерваторий учёные пытаются уточнить технологии поиска мест, где есть жизнь, и вынесения вердикта о её отсутствии. Однако, кроме кислорода в нашей атмосфере, они до сих пор не определили никаких других химических сигналов, которые бы однозначно говорили: «Здесь есть жизнь!», и которые можно было бы искать на других мирах. Возможно, поиск единственного признака наличия жизни — не совсем правильный подход. В новой работе исследователи предлагают наблюдать за взаимодействием химических веществ в атмосфере планеты, разрабатывая систему, которая может даже обнаружить такую жизнь, которую мы никогда не видели. Это связано с предположением о том, что на других планетах могут существовать формы жизни, которые не совсем похожи на те, что мы знаем на Земле.

Сетевой подход

Помимо кислорода, который обычно используют в качестве основного сигнала о существовании жизни, есть и другие химические вещества, сигнализирующие о жизни, о которых мы знаем, основываясь на опыте Земли. Одно из них — метан, который вырабатывается разными формами жизни здесь, на Земле. Однако он существует в больших количествах как здесь, так и на мирах внешней части Солнечной системы, и не весь метан обязательно образуется в результате работы биологических процессов. Это означает, что обнаруженные дистанционно газы-биосигнатуры могут оказаться ложными срабатываниями при поиске возможной жизни. По этой причине полагаться только на один газ в качестве инструмента поиска – не очень хорошая идея.

В недавно опубликованной работе авторы Тереза Фишер, Эстель Джанин и Сара Имари Уолкер утверждают, что учёным необходимо разработать методы, позволяющие сначала определить, исходит ли газ из биотического источника или производится абиотическим путём (без участия жизни). Они предлагают использовать для анализа атмосферных газов подход, основанный на использовании сети химических реакций (СХР). По сути, СХР — это набор химических соединений, которые вступают в реакцию друг с другом и при этом каким-то образом преобразуются. Учёные могут анализировать структуру сети, чтобы понять её настоящее и потенциальное поведение, и использовать полученные знания для создания моделей изучаемых систем.

Такой анализ может дать много информации по различным вопросам, связанным с поиском жизни в других местах. Например, такой сетевой подход может рассказать о возможных формах жизни, генерирующих химические соединения в данном мире. Он также может подсказать наблюдателям, происходит ли там сжигание топлива (например, на поверхности или в воздухе планеты). Он может дать представление о метаболизме любых форм жизни на планете. С его помощью можно даже определить, что на планете НЕТ жизни, или что эта жизнь не похожа на ту, что мы знаем на Земле.

Примеры

В своей работе авторы хотели различить биологические, абиотические и аномальные (неидентифицируемые) источники биосигнатурных газов в атмосфере, используя сетевой подход. Они смоделировали 30 000 атмосфер земного типа. Далее они разделили их на два набора. Первый набор был обозначен как «архейско-землеподобные миры» и «современные землеподобные миры». Он содержал миры с атмосферой, очень похожей на земную во время архейского эона, протекавшего от 4 до 2,5 млрд лет назад. Тогда в атмосфере было мало кислорода и много метана и аммиака. Возможно, тогда существовал глобальный океан с небольшим количеством суши, а формы жизни ограничивались колониями бактерий. Условия архейской Земли могут существовать и на других экзопланетах, и они могут быть пригодны для жизни в простых формах.

Современные миры земного типа имели бы условия, очень похожие на нашу планету, которая имеет азотно-кислородную атмосферу, богатую углеводородами, выделяемыми в результате технологической деятельности. Команда смоделировала такие миры с хлорфторуглеродами (которые на Земле постепенно выводятся из употребления) и без них. Они изучили свойства сетей в атмосферах всех этих типов, чтобы посмотреть, например, на производство метана как биотического маркёра. Он может вырабатываться жизнью в процессе метаногенеза. Однако ещё он может быть конечным результатом геологического процесса, в ходе которого гидротермальная активность может превращать минералы, такие как оливин и пироксен, в так называемые «серпентиновые» минералы. Потенциально пригодные для жизни миры, в атмосферах которых есть метан, могут получить его в результате любого из этих процессов, так что его наличие не является определённым признаком жизни.

В своей работе команда пишет:

Сетевой анализ также позволяет отличить современные атмосферы, похожие на земные, с ХФУ-12 от тех, в которых его нет. Используя байесовский анализ, мы показываем, как статистика атмосферных сетей может обеспечить большую уверенность для исключения биологических объяснений по сравнению со статистикой по количеству газов. Наши результаты подтверждают, что сетевой теоретический подход позволяет различать гипотезы о биологических, абиотических и аномальных атмосферных факторах и, что важно, позволяет исключить жизнь, как мы её знаем, в качестве возможного объяснения. В заключение мы обсуждаем, как дальнейшее развитие методов статистического вывода для спектральных данных, включающих свойства сети, может значительно усилить будущие усилия по обнаружению биосигнатур.

Использование системного подхода к поиску жизни

Единый системный подход зависит от надёжных и постоянных данных, получаемых при изучении экзопланет, и помогает учёным выяснить возможности существования жизни на других планетах. Применение этого подхода к изучению биосигнатурного газа (метана) и техносигнатурного газа (фреона-12) показывает, что с помощью анализа СХР можно обнаружить изменения на уровне системы, которые могут указывать на наличие жизни. Эти формы жизни могут выделять один газ (как, например, бактериальное выделение кислорода на ранней Земле), а могут производить сложные химические смеси, более характерные для технологической цивилизации.

Другими словами, анализ атмосферы путём изучения сетевой активности между атмосферными химическими веществами может дать представление как об отдельных газах, так и о более сложных побочных химических продуктах. Такой аналитический подход также будет весьма полезен, когда наши телескопы будут изучать мир, для которого у нас будет недостаточно информации о его биосфере, или если существующая техносфера будет не до конца понята. Анализ СХР помог бы учёным сделать ряд предположений, включая то, является ли биология иного мира более «земной» или более «инопланетной». Он также поможет исключить аномальные сигналы в поисках пригодных для жизни миров и населяющей их жизни.