Rosetta, Марс и происхождение жизни: случайности и закономерности

Все дискуссии о жизни за пределами Земли (как и о происхождении земной жизни) пока упираются в тот факт, что до сих пор нам известна единственная обитаемая планета – собственно Земля – и приблизительно установлено, что первые живые организмы на ней появились около 4 млрд лет назад. В этой области нет никаких твердых доказательств и общепризнанных концепций, и лишний раз это подтвердилось после начала исследований Солнечной системы с помощью космических аппаратов, результаты которых вынудили ученых полностью пересмотреть многие фундаментальные парадигмы. Последствия такого пересмотра выходят далеко за рамки научного сообщества. Множество миров как прямое следствие универсальности законов мироздания, вдохновлявшее поиски внеземной жизни до последнего времени, теперь выглядит как разнообразие миров, причем этот термин характеризует и объекты нашей Солнечной системы (проявляясь даже на уровне четырех галилеевых спутников Юпитера), и саму Солнечную систему как одну из бесчисленных звездных систем.

Что приводит к такому разнообразию эволюционных путей? Как схожие процессы могут способствовать появлению столь различных сценариев эволюции? В каком масштабе времени и пространства уникальна Земля и жизнь, которую она приютила? Как влияет на вероятность присутствия жизни за пределами нашей планеты способность земных живых организмов адаптироваться к широкому спектру внешних условий? Неожиданные ответы на эти вопросы дали экспедиции к Марсу и миссия космического аппарата Rosetta.

Общие процессы, специфичные формы

С момента появления первых монотеистических религий (а возможно, и раньше) надолго утвердилось представление о Земле как единственном и уникальном объекте, населенном людьми и противопоставляемом «небесному миру». Только с наступлением XVII века начало преобладать мнение о том, что на самом деле она вполне стандартная планета, каких много не только во Вселенной, но даже в нашей Солнечной системе, а Солнце – соответственно всего лишь одна из множества звезд. Из этого подобия (а также представления об универсальности физических законов, всегда и везде проявляющих себя одинаково) проистекал вывод о такой же «всеобщности» и распространенности жизни за пределами Земли. Но после полетов первых межпланетных аппаратов и открытия экзопланет наука на новом уровне вернулась к идее «земной уникальности». До сих пор в поисках внеземной жизни астрономы пытаются обнаружить планеты иных звезд (желательно солнцеподобных) с твердой поверхностью и обширными водными резервуарами на ней – то есть с условиями, максимально напоминающими земные. Однако эта задача не просто очень сложна: похоже, такое направление поисков совершенно не повышает вероятность их позитивного результата.

Как показали исследования планет Солнечной системы средствами космонавтики, всех их отличает крайнее и совершенно неожиданное разнообразие с точки зрения эволюции и текущего состояния. Кажется невероятным, что все они сформировались из одного и того же протосолнечного газово-пылевого облака, которое должно было заложить много общего в их дальнейшее развитие. Для объяснения различий планет совершенно недостаточно их разных размеров и гелиоцентрических расстояний. Каковы же основные «движущие силы» эволюционного разнообразия?

По-видимому, даже при небольших различиях исходных состояний общие эволюционные процессы приводят к существенно отличающимся результатам, диктуемым спецификой каждого набора условий. Это может быть проиллюстрировано двумя примерами.

1. Ранние миграции планет-гигантов, в ходе которых они существенно меняют радиусы своих орбит, представляют собой весьма распространенный процесс в эволюции звездных систем. Однако, по-видимому, каждой такой системе свойственен очень специфичный «миграционный сценарий», зависящий от структуры протопланетного диска и свойств родительской звезды, в том числе ее эволюционных особенностей. Применительно к Солнечной системе обычно рассматривается т.н. Ниццкая модель, включающая в себя миграции Юпитера и Сатурна (они получили название «Великого переворота» – Grand tack), в итоге ставшие причиной необычного пространственного и массового распределения внутренних планет, и в первую очередь – Земли, оказавшейся самой тяжелой из них. Вдобавок вклад турбуленции в формирование обогащенных льдом объектов во внешних областях диска необходимо учитывать при оценках содержания воды (по крайней мере, на Земле и Марсе).

2. Столкновения каменистых протопланет со сравнимыми по размерам телами (астероидами либо меньшими по массе протопланетами) на ранних стадиях их формирования, несомненно, должны быть вполне регулярным явлением. С привлечением этого механизма, в частности, объясняют возникновение системы «Земля-Луна». Но далее такое столкновение оказало решающее воздействие на высокоспецифичную эволюцию Земли: появившийся у нее крупный спутник стабилизировал наклон земной оси, способствовал протеканию тектонических процессов с последующим проникновением воды и гидратированных минералов в мантию, возникновению глобального подповерхностного слоя жидкой магмы и т.д. Масштабы этих эффектов очень чувствительны к параметрам удара (геометрия, соотношение масс столкнувшихся тел, их состав), результатом чего также становятся сильно отличающиеся эволюционные сценарии.

Следующий серьезный «сдвиг парадигмы» касается процессов обогащения молодых планет органическими веществами, необходимыми для возникновения жизни. Данные, полученные европейским аппаратом Rosetta и посадочным модулем Philae, исключили из рассмотрения модель кометы – «грязного снежка». Вероятнее всего, кометное ядро состоит преимущественно из богатых углеродными соединениями зерен размером до нескольких миллиметров, в которые включены как силикаты, так и летучие вещества (в первую очередь лед). Для этих структур предложено название ORGANiceS, подчеркивающее тот факт, что водяной лед – ice – заключен в матрице из сложной органики. Анализ более тугоплавкой силикатной компоненты модуль Philae выполнить не смог из-за нехватки заряда бортовых аккумуляторов; общий массив информации, переданной им и зондом Rosetta, демонстрирует большой набор соединений, вполне достаточный для обеспечения «строительным материалом» большинства, если не всех, земных живых организмов. Избыток стереоизомеров и энантиомеров (органических молекул с полностью асимметричной структурой) мог возникнуть благодаря специфическому ультрафиолетовому излучению молодого Солнца, облучавшему обогащенные углеродом зерна в турбулентном аккреционном диске. Объекты, подобные ядру кометы Чурюмова-Герасименко, имеют на поверхности спеченную корку, от которой, по-видимому, и отскочил модуль Philae перед «окончательной» посадкой. Эта корка играет роль «теплового щита» и предохраняет органику от полного термического разрушения при вхождении такого объекта в атмосферу планеты, обеспечив, таким образом, возможность попадания «кирпичиков жизни» в большие поверхностные водоемы с подходящими условиями – температурой, соленостью, кислотностью (щелочностью). В этих условиях далее могут инициироваться автокаталитические реакции, приводящие к синтезу примитивных биологических структур из ингредиентов, предварительно случайно появившихся в результате специфических процессов «межпланетной химии» в первичном газовопылевом облаке.

Здесь следовало бы упомянуть отдельную очень важную проблему. Мы привыкли рассматривать физические условия, присутствующие у поверхности Земли, в качестве «нормальных» и наиболее подходящих для обитания. Но на самом деле такое представление следует считать одной из опасных догм, воцарившихся в современной науке: отталкиваясь в понимании «нормальности» от себя, мы можем упустить множество интересных вариантов, заключающихся в том, что многие миры с «экстремальными» с нашей точки зрения условиями способны предоставить вполне благоприятные возможности для возникновения и эволюции жизни.

И еще одним устоявшимся представлением, которое, весьма вероятно, не совсем соответствует действительности, является картина эволюции от «простого» (сингулярность Большого Взрыва, элементарные частицы) через «более сложное» (атомы и простейшие молекулы) к «наиболее сложному » (органические соединения и структуры живой клетки). Сейчас практически единодушно считается, что этот путь – чуть ли не единственно возможный, и в конце него обязательно должна возникнуть жизнь, причем непременно разумная. Но пока этот результат мы наблюдаем лишь в единичном случае нашей планеты…

Марс как важный свидетель

Наш сосед по Солнечной системе давно уже привлекал внимание ученых как еще одно место, где потенциально может существовать жизнь. Истории о «марсианах» стали неотъемлемой частью литературы и кинематографии. Казалось бы: там, как и на Земле, имеется все необходимое для живых существ – солнечный свет, вода, твердая поверхность… Однако первые же снимки автоматических межпланетных станций показали: признаков жизни на Марсе нет. Позже посадочные аппараты, осуществившие первые астробиологические эксперименты (Viking 1 и 2), не смогли подтвердить наличия там даже микробов. Определенную надежду дал лишь тщательный анализ метеоритов марсианского происхождения, но и его результаты научное сообщество воспринимает осторожно.

Европейский зонд Mars Express, за которым последовал американский MRO (оба они до сих пор функционируют), выполнили детальные исследования Красной планеты, приведшие к серьезному пересмотру ее истории: оказалось, что вскоре после ее формирования там могли существовать условия, при которых жидкая вода на поверхности оставалась стабильной на протяжении периодов, сопоставимых с возрастом Солнечной системы, прежде чем исчезла полностью в результате глобального изменения климата. Но еще более интересным представляется открытие на Марсе участков, сохранившихся практически нетронутыми с момента его образования – эта особенность делает его уникальным объектом Солнечной системы. Такие участки несут на себе следы условий, преобладавших в древние времена. Эволюция марсианской среды может быть представлена как последовательность минералов, изменявшихся под действием воды – в частности, филлосиликатов с различным содержанием магния, алюминия и железа. Районы с подобной сохранившейся стратиграфией являются идеальными местами для изучения с помощью новых марсоходов – ExoMars (2020 г., ESA) и Mars-2020 (NASA); запуск китайской марсианской мобильной лаборатории также запланирован на 2020 г.

Если жизнь и возникала когда-либо вне Земли, эти районы должны быть наиболее благоприятными для сохранения ее следов. Возможно, в одном из присутствующих там минералов (например, в смектите или каолините) мы обнаружим вещества, свидетельствующие об эволюции органики. По этим признакам мы сможем определить среду, более благоприятную для зарождения живых организмов на Марсе, а значит – и на древней Земле. С другой стороны, если никаких сложных органических веществ найдено не будет (только простейшие, непроэволюционировавшие, связанные с межпланетным материалом) – это станет дополнительным доказательством уникальности либо же большой редкости земной жизни.

Японское агентство исследований космоса JAXA организует миссию MMX (Mars Moon explorer), среди задач которой – поиск следов столкновения Красной планеты с крупным астероидоподобным телом на ранних стадиях ее эволюции (возможно, в ходе него образовались марсианские спутники Фобос и Деймос). Это позволит, в частности, определить, насколько велика вероятность подобных столкновений, и изучить их эффекты на объектах меньшей массы, чем Земля.

Интересно, что те марсианские регионы, которые действительно имеют выразительный красный или оранжевый оттенок, похоже, никогда не оказывались под водой, а следовательно, она не может нести ответственность за их окраску (как, опять же, считалось ранее). А значит, в истории Марса предположительно был период, когда его окутывала атмосфера с высоким содержанием кислорода, активно участвовавшего в окислении множества поверхностных минералов.

Предварительные итоги

Последовательность процессов, в результате которых Земля сформировалась как «пригодная для жизни» планета, демонстрирует ключевую роль, которую в этом играют случайности и непредвиденные обстоятельства. Новые открытия заставляют нас серьезно пересмотреть существующие парадигмы, рассматривавшие наличие стабильной жидкой воды на поверхности планеты в качестве главной движущей силы. Уже понятно, что зоны и объекты, на которых вода не удерживается на протяжении длительного времени, почти наверняка не являются обитаемыми – но и утверждение о том, что стабильные водные бассейны критически необходимы для возникновения жизни, не учитывает серьезный прогресс в нашем понимании планетной эволюции, достигнутый в последнее время. Впрочем, тот факт, что земная жизнь на протяжении двух с лишним миллиардов лет перед тем, как выйти на сушу, существовала исключительно в водной среде, также не стоит игнорировать.

В то же время Земля признана уникальной во времени и пространстве (в масштабах, которые предстоит еще определить), со своими нигде более не встречающимися водными океанами и беспрецедентной азотно-кислородной атмосферой – а значит, такой же уникальной оказывается и жизнь, которая с этой точки зрения является специфическим продуктом определенного эволюционного сценария. Она возникла на Земле только один раз, и теперь предстоящие исследования Солнечной системы будут иметь целью решение вопроса о том, каково соотношение случайностей и закономерностей – включая сложную динамику молодого Солнца и протопланетного диска – в общем массиве вовлеченных в ее появление процессов. С другой стороны, однажды возникнув, жизнь больше никогда не «исчезала», проявляя чудеса приспособляемости к изменениям внешних условий (часто в весьма широких пределах, вплоть до действительно экстремальных), поэтому отдельной проблемой является возможность ее «возрождения », а также возникновения в условиях, далеких от тех, которые сейчас принято считать благоприятными.

Из этого вывода проистекает еще одно интересное следствие. Весьма вероятно, что поиск «экзо-Земель» (объектов, по своим характеристикам максимально похожих на нашу планету), не имеет никакого отношения к поискам внеземной жизни: если таковая где-то и присутствует – она, скорее всего, развивалась в других условиях по собственному эволюционному сценарию, вряд ли сильно напоминающему земной. Не говоря уже о том, что ученые до сих пор не имеют четкого определения «жизни» как универсального феномена вселенских масштабов, и не факт, что оно вообще существует…