Экзопланетные биомаркеры — фуфло.
Из письма профессионала
Недавно в ТрВ-Наука публиковалась дискуссия о вероятности зарождения жизни на подходящей планете. Это та вероятность, о которой можно теоретизировать, но которую нельзя измерить, покуда нам известен лишь один случай. Нужен хотя бы еще один, и тогда уже можно оценить эту вероятность с точностью до порядка величины. Разговоры на эту тему ведутся давно, этим, в частности, занимается наука под названием «астробиология». Обретет ли эта наука предмет наблюдения?
Исходя из данных космического телескопа «Кеплер», можно приблизительно оценить вероятное расстояние до ближайших землеподобных планет у солнцеподобных звезд. Это не простая оценка — она требует экстраполяции от короткопериодических планет (которые легко обнаруживаются) к длиннопериодическим (чей год сравним с земным), которых «Кеплер» почти не видел. Результат — около 15 или 20% звезд типа Солнца имеют землеподобные планеты в зоне обитаемости. Вероятное расстояние до ближайшей подобной планеты оказывается в пределах 20 световых лет.
Как убедиться, что на планете, находящейся дальше десяти световых лет от нас, есть жизнь? Конечно, искать ее признаки нужно прежде всего в атмосфере планеты. В принципе, можно изучать отраженный спектр (например, так называемый красный край в альбедо, связанный с хлорофиллом), но до его детектирования еще так далеко, что остановимся на искомых признаках в спектре поглощения атмосферы. Есть ли шанс увидеть признаки жизни в спектре поглощения света звезды атмосферой транзитной планеты? Или, что сложней, увидеть их в спектре собственного теплового излучения планеты? Эти признаки по-русски называются биомаркерами (что неудачно, поскольку есть пересечение с медицинским термином); в англоязычной литературе преобладает термин biosignature. Общеизвестный биомаркер — кислород, точнее, линии поглощения О2 или озона О3. Простой и неправильный ответ на вопрос «как обнаружить жизнь?» — зарегистрировать на экзопланете кислород и приписать его происхождение фотосинтезу.
Вот один из контрпримеров.
Кислород может образовываться при фотодиссоциации молекул воды. Легкий водород улетает в космос, тяжелый кислород остается. Если планета находится в зоне жизни агрессивного красного карлика, излучающего много рентгена и ультрафиолета, то диссоциировать может вся вода. Если воды изначально было достаточно, планета может оказаться с кислородной атмосферой с давлением 100 бар — как на Венере, только с кислородом вместо СО2. И какая там жизнь?
Есть и другие, не столь радикальные варианты высвобождения кислорода. Таким образом, казалось бы самый надежный биомаркер на самом деле совсем не безусловен и требует осторожного подхода. Есть и другие биомаркеры — метан (есть на Марсе и в огромном количестве на Титане), закись азота N2O и несколько других летучих соединений. Однако остановимся на кислороде — на Земле он самый заметный знак жизни: легко детектируется, сильно поглощает излучение в инфракрасной области, летучий, химически активный. В свое время при выборе частотного диапазона проекта космического интерферометра TPF (Terrestrial Planet Finder — Детектор планет земного типа) решили, что надо опираться на кислород, так как «для нормальной землеподобной планеты, расположенной в зоне обитания, О2 — надежный индикатор жизни» (DesMarios et al. 2002). С тех пор прошло много времени, проект TPF закрыли, а к кислороду в качестве биомаркера стали относиться с бо́льшим скепсисом. Дело в том, что есть процессы высвобождения кислорода, конкурирующие с фотосинтезом даже для планет в зоне обитаемости.
Землю страхует от фотолиза водяного пара так называемая холодная ловушка — зона с минимальной температурой в верхнем слое тропосферы. Там пар конденсируется и в конечном счете выпадает в виде осадков. В результате его концентрация в стратосфере становится почти на три порядка меньше.Без холодной ловушки пар достигает высот, облучаемых жестким ультрафиолетом, где молекула воды диссоциирует, водород улетает, а атом кислорода остается и сбивает с толку удаленного наблюдателя. По оценкам Wordsworth, Pierrehumbert (2013) этот процесс может нагнать до 0,15 бар кислорода. Дальше сам кислород создает холодную ловушку и фотолиз воды прекращается, но такого количества кислорода вполне достаточно, чтобы принять его за биогенный.
Чтобы холодная ловушка функционировала изначально, нужна фоновая атмосфера из устойчивого газа, который не способен конденсироваться или химически связываться. Лучший для этого газ — азот; годится и более редкий аргон. Поэтому, если мы видим много кислорода в атмосфере планеты в зоне обитаемости, прежде всего надо проверить, есть ли там азот. Это не так просто — молекула N2 не дает линий поглощения в видимом и инфракрасном диапазоне. Зацепиться можно за парные молекулы (N2)2, в некотором количестве присутствующие в азотной атмосфере. Но их вклад в поглощение не столь велик. Величину эффекта оценивали Schwieterman et al. (2015). Представление о результате дает рис. 2, где приведен смоделированный транзитный спектр Земли (как если бы наблюдать Землю на фоне Солнца) с азотом и без него. Эффект измерим, но для наблюдений с большого расстояния удручающе мал.
Впрочем, азот — весьма распространенный элемент. В Солнечной системе он доминирует в атмосферах Земли и Титана, а в толстой атмосфере Венеры азота в три раза больше, чем в земной. Видимо, когда-то Венера тоже имела азотную атмосферу. Это прочная молекула и к тому же достаточно тяжелая, поэтому азотная атмосфера устойчива. Так что недостаток азота при наличии воды и кислорода в атмосфере планеты — скорее патология, чем правило. Поэтому, если все-таки будет обнаружен кислород у планеты земного типа в зоне обитаемости, к этому стоит отнестись очень серьезно. Скорее всего, на планете есть и азот и холодная ловушка. Конечно, «отнестись серьезно» не значит «пить шампанское за открытие» — вполне возможно, что жизнь во Вселенной, особенно фотосинтезирующая жизнь, — гораздо более редкий феномен, чем абиогенный кислород у планеты в зоне жизни.
Есть и другие варианты высвобождения большого количества кислорода. Например, фотолиз СО2. Этот случай распознается по большому количеству СО2 в атмосфере. Если планета сухая, то подавляется основной сток кислорода — каталитическая рекомбинация углекислого газа. В этом случае в атмосфере не должно быть паров воды.
В целом, биомаркеры во главе с кислородом дают лишь указание: «Смотрите внимательней!». В приложение к биомаркеру нужен контекст — всё, что известно о планете и родительской звезде, всё, что можно выяснить с помощью моделей. В ближайшей перспективе добыть необходимый контекст будет непросто даже для транзитных планет, тем более у звезд класса G.
Кроме биомаркеров существуют и антибиомаркеры — детектируемые примеси в атмосфере, которые свидетельствуют о необитаемости планеты. Наиболее часто обсуждаемый — угарный газ СО — не потому, что он ядовит для человека (наоборот — хорошая пища для фотосинтезирующих организмов), а потому, что свидетельствует об отсутствии воды. СО легко идентифицируется в спектре поглощения атмосферы планеты. Но и здесь нет однозначности, например, Schwieterman et al. (2019) показали, как биосфера может производить CO в детектируемых количествах.
В целом надежды на скорое обнаружение жизни на экзопланетах довольно призрачны. Скорее всего, первыми будут исследованы атмосферы планет в зоне обитаемости красных карликов — их много, вероятность транзитов велика (и уже найдены близкие транзитные планеты), вклад поглощения атмосферой планеты на фоне звезды на два порядка выше, чем для пары Земля — Солнце. Возможно, там будут обнаружены биомаркеры, но как раз для планет у звезд класса М цена биомаркеров наименьшая. Именно у них интенсивней всего идет фотолиз воды и СО2, именно у них в ранней молодости звезды может идти катастрофический фотолиз, способный дать кислородную атмосферу превосходящую по толщине углекислотную венерианскую.
Транзитные планеты в зоне обитаемости звезд типа Солнца, вероятно, будут найдены на расстоянии порядка сотни световых лет (сейчас известно несколько штук на расстоянии больше тысячи световых лет). Исследование их атмосфер в принципе не безнадежно. Гораздо большие перспективы могли бы дать космические интерферометры с прямым наблюдением близких нетранзитных планет. Увы, соответствующие проекты закрыты. Но будем надеяться на прогресс методов наблюдения. Настанет время, когда начнутся серийные открытия близких аналогов Земли. Вот тогда и начнется погоня за биомаркерами!
А сейчас состояние дел можно подытожить следующим образом.
Надежных биомаркеров как таковых не существует.
Значение биомаркера (как и антибиомаркера) сильно зависит от контекста: тип звезды, интенсивность облучения планеты, ее масса, водяной пар, другие составляющие атмосферы.
Есть, пожалуй, один случай довольно надежного (но не стопроцентного) признака фотосинтезирующей жизни: землеподобная планета в зоне обитаемости звезды класса G с большим количеством атмосферного кислорода. Для полной уверенности нужно убедиться, что там есть труднообнаружимый азот. Хотя шансы, что его там нет, достаточно малы, и при открытии нескольких подобных планет уже можно пить шампанское. А когда это произойдет — и произойдет ли вообще – можно только гадать.
Борис Штерн
- DesMarais et al., 2002, Astrobiology, Vol. 2, Iss. 2, pp. 153–181.
- Edward W. Schwieterman et al., 2015, The Astrophysical Journal, Vol. 810, Iss. 1, article id. 57, p. 15.
- Edward W. Schwieterman et al., 2019, The Astrophysical Journal, Vol. 874, No 1.
- Wordsworth Robin; Pierrehumbert Raymond, 2013, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 785, Iss. 2, article id. L20, p. 4.
Полезное разъяснение для неокрепших в астробиологии умов. При этом упоминание о фотолизе, холодных ловушках и прочих явлениях вызывает желание вникнуть в суть упомянутых процессов.
Спасибо.
В моем самогонном аппарате тоже есть холодная ловушка, поэтому — никакой сивухи.
Интересная статья. Это значит, возможны планеты, на которых нет жизни, но которые пригодны для жизни человека и колонизации.
«Есть, пожалуй, один случай довольно надежного (но не стопроцентного) признака фотосинтезирующей жизни: землеподобная планета в зоне обитаемости звезды класса G с большим количеством атмосферного кислорода. »
— и что это за планета? что за звезда?
Статья интересная. Борис Штерн верен себе – ярко и концентрированно показывает нам жизненно важную роль астрофизики.
Мне понравился акцент на холодной ловушке – удивительно красивый пример защитной самоорганизации жизни. Возникает ощущение универсальности явления. Например, при желании, его можно увидеть и в солнечной фотосфере – там аналогами азота и кислорода будут водород и гелий, соответственно. И тогда появляется дополнительный поисковый признак жизни – подобие фотосфер звезд и атмосфер планет. И возникает вопрос – насколько далеко оно заходит? :)
Атмосфера Земли – N2 (75.5%), O2 (23.10%)
Фотосфера Солнца – H2 (73.46%), He (24.85%)
К вопросу об известной оценке статистически страшно малой вероятности зарождения жизни. Вероятность эта столь мала, что фактически означает не редкость возникновение жизни, а как бы НЕВОЗМОЖНОСТь ее возникновение ЭТИМ способом за все время существования Вселенной. Однако на Земле она возникла. Нам повезло вытянуть редкий билетик? Но ведь фактически мы вытянули его дважды — возникновение жизни независимо вроде в пространстве и времени — не так ли? А у нас не только выигрыш по пространству — ИМЕННО на нашей Земле. Но и по времени — геологически произошло почти мгновенно. Невероятное событие в данном частном случае реализовалось так??? Не странно?
Заметим, легко наблюдать и другие статистически как бы невероятные события — какова вероятность, что вода в ванне вдруг образует водоворот? Согласитесь, практически нулевая. А выньте пробку и подождите несколько минут
Из апрельского УФН )):
Гипотетические признаки жизни на планете Венера: ревизия результатов телевизионных экспериментов 1975—1982 гг.
Л.В. Ксанфомалити а, Л.М. Зелёный а, В.Н. Пармон б, В.Н. Снытников б
а Институт космических исследований РАН, ул. Профсоюзная 84/32, Москва, 117997, Российская Федерация
б Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, пр. акад. Лаврентьева 5, Новосибирск, 630090, Российская Федерация
Возможно, внеземную жизнь можно обнаружить не в других мирах, удалённых на расстояния в несколько десятков парсеков, а на поверхности ближайшей планеты в Солнечной системе — Венеры. Этот вывод следует из результатов новой обработки архивных данных телевизионного (ТВ) эксперимента, выполненного на поверхности Венеры в ходе советских миссий «Венера» в 1975—1982 гг. Одним из основных был ТВ-эксперимент по изучению поверхности планеты. ТВ-исследование in situ поверхности Венеры остаётся экспериментом, до сих пор не повторённым. Уникальные архивные данные были обработаны с использованием новых методов, что значительно улучшило их детализацию. В результате нового анализа ТВ-изображений, полученных в миссиях «Венера», обнаружено до 18 гипотетически живых объектов. Найдено много объектов со сложной правильной структурой, и предположительно способных очень медленно двигаться. Объекты обладают заметными размерами и могут свидетельствовать о существовании жизни на Венере в физических условиях, радикально отличающихся от земных. Земная жизнь основана на водной среде. При температурах 460 ∘
C в местах посадки спускаемых аппаратов вода не может существовать в жидкой форме. Доля воды в газообразном состоянии также ничтожно мала (около 2×10−5). Вода и кислород на Венере практически отсутствуют. Таким образом, возникает вопрос: какие материалы может использовать природа для жизни на этой планете? Рассматриваются химические компоненты, стабильные в области высоких температур, на которых гипотетически может быть основана жизнь на Венере. Делается вывод о том, что для исследования гипотетической жизни Венеры необходимо выполнить новую специальную миссию, гораздо более сложную, чем миссии «Венер». ???
Чем ближе к нам форма жизни, тем похожей на нашу. Это общая эмпирическая закономерность для сложных систем – от нуклонов до галактик. Разумеется, с поправкой на организационную анизотропию, заставляющую контактировать разнородные элементы в рамках общей целесообразности. Например, 2 соседние однотипные клетки кожи нуждаются друг в друге и контактируют совсем не так, как, скажем, одна из них с соседней клеткой другой специализации.
Отсюда, как минимум, 2 стратегии поиска: 1- себе подобных и 2 — резко отличающихся от нас по типу и скорости коммуникации.
Подобные ищут друг друга подобно и коммутируют одинаково, так что стратегия-1, похоже, может быть более продуктивной, нежели стратегия-2. Не исключено, размер галактической клетки для подобной нам формы жизни — это астросфера, пузырь звёздного ветра, тогда минимальное расстояние между клетками — средний диаметр пузыря.
Идея абсолютной уникальности земной разумной жизни не соответствует принципу максимальной геохимической деятельности – оставляет нам только стремление к эгоистическому закукливанию, напоминающему поведение раковых клеток, а это почему-то не кажется привлекательным, интересным. :)
Мне сейчас интересна стратегия-2 и возможности её техногенного развития.
Эволюционно мы стартовали в гидросфере с коммуникацией со скоростью звука. Затем перебрались в атмосферу – менее плотную среду и добавили к звуковой коммуникации электромагнитную со скоростью света – совершили скачок в скорости на 6 порядков. Принципиально нет запрета на следующий — на очередные 6 порядков. Стимулы есть – на Земле нам становится тесно, как когда-то стало тесно в воде. У нас есть уши и глаза — датчики звуковых и электромагнитных волн или бозонов и, не исключено, датчик сигналов следующего уровня коммуникации – правда, в зачаточном состоянии. Это, скорее всего, самая молодая, развивающаяся парная структура головного и спинного мозга. Дневная дальность нашей слышимости в радиальном направлении – толщина атмосферы до высоты ~50 км, видимости – до ближайшей звезды – Солнца. Отношение дальностей дневной слышимости и видимости примерно равно отношению скоростей звуковой и световой коммуникаций – ими мы пользуемся днем. Похоже, ночью мы активно используем только датчик третьего поколения коммуникации, самый дальнодействующий — вряд ли, когда мы спим, интенсивно работающий мозг занимается только обработкой дневной информации, охраной и реабилитацией уставшего за день тела. Иначе уж чересчур автономной, спокойной — без спутанных состояний — была бы земная жизнь, а ведь давно известно – покой нам только снится. :)