Ледяные колыбели.

Где нам стоит искать внеземную жизнь и как она будет выглядеть.

Результаты последних астрономических наблюдений говорят, что наша Галактика буквально набита экзопланетами. Так почему же Вселенная до сих пор молчит, а не трещит призывными радиосигналами братьев по разуму? Почему мы до сих пор не нашли ни одного инопланетного зонда или космического корабля? Возможно, дело в том, что большинство пригодных для зарождения жизни небесных тел совсем не похожи на Землю. И жизнь там стоит искать настолько же непохожую.


Если мы поставим перед собой нескромную задачу составить список самых интересных вопросов современности, то где-то в начале нашего списка непременно появится что-то вроде «Одни ли мы во Вселенной?» Вопрос сложный. И страстно нелюбимый частью ученых — из-за того, что в попытках ответить на него, на их вкус, слишком много романтики и дилетантства. Да и абстрактности в нем пока гораздо больше, чем конкретики, так что многие прагматично настроенные исследователи просто не допускают возможности рассматривать его всерьез.

Чтобы хоть как-то приблизить вопрос о существовании инопланетной жизни к области точных наук, в 1960 году астрофизик Фрэнк Дрейк предложил уравнение, носящее с тех пор его имя. Оно призвано оценить гипотетическое число цивилизаций, на контакт с которыми может рассчитывать человечество. При этом абстрактный вопрос сводится к конкретной вероятности, зависящей от нескольких величин, каждая из которых в принципе может быть определена с какой-то точностью (для большинства из них — очень низкой). Вооружившись формулой Дрейка, можно было говорить о численных оценках.

Тут вы наверняка зададитесь вопросом: почему Дрейк пытался оценить именно число цивилизаций, способных на контакт, а не просто количество любых проявлений внеземной жизни? Ясно же, что если внеземная жизнь вообще есть, то вероятность ее существования в виде разумных, технологически развитых и общительных существ значительно ниже, чем в виде чего-нибудь менее сообразительного. Вроде плесени.

А вот почему: техника начала 60-х не давала возможности засечь следы этой самой плесени даже на небесных телах в границах Солнечной системы. Чего уж там говорить об экзопланетах — ни одна из них еще даже не была открыта. Так что соображения Дрейка были донельзя практичны. В то время можно было говорить серьезно о поисках только той жизни, что уже научилась пользоваться радиосвязью. У нас есть радиотелескопы, с помощью которых мы можем ловить радиосигналы из космоса, к тому же мы уже больше полувека захламляем космическое пространство собственными радиосигналами. Почему бы не допустить, что если инопланетный разум есть, то он в какой-то момент своего развития начнет вести себя так же? Тогда, занявшись целенаправленной прослушкой космоса в радиоспектре и посылая должным образом зашифрованные радиосообщения, мы сможем наладить друг с другом связь. Осталось только выяснить, какова вероятность того, что нам вообще есть что искать. Так и родилось знаменитое уравнение. В нем количество инопланетных цивилизаций с описанными свойствами сводится к произведению нескольких величин, каждую из которых удобно рассматривать в отдельности.

Результаты грубой оценки с использованием уравнения Дрейка выглядели ободряюще и использовались в качестве обоснования сразу нескольких масштабных программ по налаживанию межзвездного радиоконтакта. Но как вы наверняка знаете, на связь так никто и не вышел. Никаких свидетельств о наличии внеземного разума мы не нашли.

Признаки существования внеземной разумной жизни отсутствуют, хотя множество аргументов говорит нам, что было бы очень странно, если бы мы оказались единственной развитой цивилизацией в масштабе Галактики. Эти два противоречивых вывода известны как парадокс Ферми. Небезызвестный физик озвучил его в за чашкой кофе в далеком 1950 году, еще задолго до того, как Дрейк написал свое уравнение. С того момента прошло больше полувека, но ситуация в сфере общения с внеземным разумом ничуть не изменилась. Зато было выдвинуто немало самых изобретательных гипотез, призванных объяснить эту безрадостную картину. Саморазрушение цивилизаций в ядерных войнах или экологических кризисах, мудрое нежелание вмешиваться в существование технологически и интеллектуально незрелого разумного вида (нас с вами) — эти гипотезы захватывают воображение, однако не подлежат проверке и вряд ли могут рассматриваться серьезно с точки зрения науки. Однако данные последних лет подсказывают нам другое объяснение парадокса Ферми. Возможно, мы просто ищем не то. И не там.

Судя по всему, даже только в нашей Галактике полным-полно мест, подходящих для жизни. Да вот только они абсолютно не похожи на нашу с вами планету и вряд ли могут стать домом для существ, способных освоить школьный курс физики и создать радиопередатчик. Эти места — огромные внутренние океаны ледяных миров. Именно такую точку зрения высказал недавно планетолог Алан Стерн, глава директората научных программ НАСА, ведущий исследователь миссии «Новые горизонты», успешно отправившей исследовательский зонд к Плутону.

Впервые астрономы столкнулись с существованием подледных водяных океанов при изучении Европы — одного из четырех крупнейших спутников Юпитера, открытых еще Галилеем. Позднее океан был найден на спутнике Сатурна Энцеладе. Есть подозрения, что очень похожие водоемы могут существовать под поверхностью других Галилеевых спутников Юпитера — Каллисто и Ганимеда и еще нескольких небесных тел Солнечной системы: спутника Сатурна — Мимаса (того самого, что похож на Звезду Смерти), Титана и, возможно, даже Плутона!

Основная черта небесных тел, имеющих подповерхностные ледяные океаны, — они все геологически активны. Геотермальной энергии, выделяемой океанским дном, вполне хватает для поддержания воды в жидком состоянии, а толстая корка льда на поверхности удерживает температуру и одновременно защищает воду от испарения при почти что нулевом давлении реденькой атмосферы снаружи. Но главное, геологическая активность приводит еще и к появлению подводных вулканов! По крайней мере, двухсоткилометровые султаны водяного пара, говорящие о бодром криовулканизме, замечены на южном полюсе Европы, а Энцелад вообще несется по орбите как паровоз, хотя и немалая часть наблюдаемых фонтанов, скорее всего, оптическая иллюзия. И тут важно, что подводно-подледные вулканы — это не только зрелищно, но еще и безумно полезно для гипотетической жизни. Во время извержений они старательно перемешивают воды внеземных океанов, попутно выбрасывая в них массу минеральных солей и прочих веществ вулканического происхождения. И здесь самую интригующую информацию нам принесла автоматическая станция «Кассини». Та самая, что в середине сентября так эффектно завершила свою яркую двадцатилетнюю службу, сгорев в атмосфере Сатурна.

Пролетая через паровой шлейф Энцелада, «Кассини» нашла в нем не только воду, но еще и метан, углекислый газ, небольшие концентрации аммиака, ацетилена и пропана. Все это говорит о наличии как минимум гарантированных источников углерода и азота — самых базовых элементов органической химии, а также о том, что в океане Энцелада сейчас восстановительные условия с крайне низким содержанием кислорода. Именно такие условия — большое количество веществ-восстановителей, вроде окиси углерода и метана, а также отсутствие мощных окислителей, вроде кислорода, необходимы для зарождения жизни. Они дают возможность органическим веществам спокойно накапливаться в неспешных абиогенных реакциях и защищают их от быстрого окисления.

Но главное, в октябре 2015-го масс-спектрометр «Кассини» засёк в шлейфе Энцелада водород, что стало, пожалуй, главной хорошей новостью для жаждущих найти внеземную жизнь за последнее десятилетие. И вот почему.

Существует не так много способов обеспечить живую систему энергией. Строго говоря, их всего три. Можно добывать энергию, окисляя уже имеющиеся органические вещества, как это делают животные и грибы. Можно добывать энергию из солнечного света (и создавать при этом свои питательные вещества), как это делают растения. Можно получать энергию для биосинтеза за счет окислительно-восстановительных реакций между неорганическими веществами, как это делают некоторые бактерии. Это не очень эффективно, да и места в природе, где всегда под рукой и окислитель, и восстановитель, еще нужно хорошенько поискать. Но зато такие бактерии — их называют хемолитотрофами — в состоянии жить при полном отсутствии света и притока органического вещества извне. И более того, иногда они становятся основой маленьких, бедных, но абсолютно независимых и самодостаточных экосистем. Есть с десяток различных окислительно-восстановительных процессов, использующихся гордыми хемолитотрофами. Но самый интересный для астробиологов — метаногенез: окисление молекулярного водорода углекислым газом до воды и метана. Он не требует кислорода и уверенно протекает в восстановительных условиях, которые так нужны для зарождения жизни. И, как мы теперь знаем, все необходимое для метаногенеза есть в подледном океане Энцелада. А значит, для жизни на нем есть не только жидкая, защищенная от радиации среда, богатая минеральными солями, но еще и отличный источник энергии.

Наверняка многие из читающих эти строки уже неоднократно вспомнили «Прорыв за край мира» астрофизика Бориса Штерна и рассказываемую в этой книге эпическую историю изучения разумными осьминогоподобными европианами своего замкнутого подледного мира. Книга блестящего популяризатора совсем не о биологии и, разумеется, не претендует ни на какую астробиологическую достоверность. Но все же тяжело удержаться от соблазнительной фантазии: можем ли мы встретить в замкнутых подледных мирах-океанах разумных существ? Автор заметки о вышеупомянутом нами выступлении Стерна (не путать со Штерном!) в журнале Science, например, именно к ней и приходит. Почему мы не слышим эха жизнедеятельности инопланетного разума? Потому что они там, под куполом европианского льда. Решают совсем другие задачи, изучая свой мир.

Но мы, пожалуй, все-таки попробуем проверить эту фантазию на прочность.

Для начала попробуем понять, как же вообще может выглядеть гипотетическая подледная экосистема Энцелада или другого аналогичного небесного тела. Одна из главных характеристик экосистемы — ее продуктивность, то есть способность к воспроизводству биомассы. Эта величина дает представление о размере экосистемы, а также по ней можно сделать некоторые косвенные выводы о ее разнообразии. Чем продуктивность больше, тем длиннее будут пищевые цепи и тем разнообразнее ожидаемый видовой состав. Оценки биологической продуктивности экосистемы, в основе которой лежит метаногенез, были сделаны еще в конце 90-х для гораздо более крупной Европы. И звучат они не слишком оптимистично. Оказалось, что при объеме океана в два с лишним раза больше земного продуктивность европианского океана должна быть в сто миллионов или даже в миллиард(!) раз меньше. Для крошечного Энцелада эти значения должны быть намного скромнее.

Еще одним важным для нас показателем экосистемы будет наличие в ней макрофауны. То есть крупных существ с активным и сложным поведением. Именно от таких живых организмов со временем можно ожидать развития разума. Но тут мы подходим к еще одному неутешительному барьеру, наличие которого подсказывает нам опыт земной эволюции. Образование окислительной атмосферы на древней Земле стало одной из главных предпосылок для появления сложной многоклеточной жизни. Вредный для биологических макромолекул кислород оказался прекрасным акцептором электронов в процессе дыхания, что вывело метаболизм организмов на доселе невиданный уровень энергетической эффективности. Сегодня практически все многоклеточные — кроме некоторых унылых исключений вроде копающихся в иле червей-пескожилов да паразитов-аскарид — используют для дыхания кислород. Но в восстановительных условиях подледного океана кислороду практически неоткуда взяться, кроме одного источника — радиации.

И Европа, и Энцелад — спутники планет-гигантов и буквально купаются в мощнейших радиационных поясах своих хозяев. Весь этот поток ионизирующего излучения поглощается внешним слоем мощного ледяного панциря, сковывающего океан. Именно в его самом верхнем, тонком слое идет процесс распада молекул воды на свободные радикалы под действием излучения — радиолиз. В ходе реакций, запускаемых радиолизом, образуется небольшое количество кислорода. Но чтобы оказаться в воде, этим молекулам кислорода еще нужно преодолеть многокилометровую толщу льда, отделяющую их от океана. Логично предположить, что время насыщения кислородом верхних слоев подледного океана будет зависеть от толщины льда, активности его обновления и скорости обмена веществом с жидкой водой. Грубые оценки этого процесса выглядят не слишком оптимистично. Вряд ли таким образом возможно получить достаточное количество кислорода, необходимое для хоть сколь-нибудь впечатляющих форм жизни вроде гигантского кальмара.

Так что вряд ли в подледных океанах вероятно появление разумных существ. Даже если мы говорим не о полноценных носителях интеллекта, подобного нашему, а просто о существах со сложным поведением вроде млекопитающих, птиц или хотя бы головоногих моллюсков. Вряд ли они могли появиться в таких условиях. Сложное поведение требует развитой нервной системы с крупными узлами, потребляющей прорву энергии. Для этого нужен быстрый метаболизм, а следовательно, много еды и кислорода, который практически наверняка не сможет накопиться в достаточном количестве за счет одного лишь радиолиза. Размер мозга также ограничивает и минимальные размеры тела таких организмов, а для эволюции сложного поведения и хоть какого-то интеллекта еще нужны и предпосылки в виде сложной социальной организации — как у человекообразных обезьян, слонов и китов, возможно закрепляемой хищничеством и сложными приемами охоты, как у дельфинов и волков. А для всей этой прожорливой роскоши, как правило еще и занимающей верхние этажи пищевой пирамиды, в гипотетических подледных экосистемах просто не хватит еды, потому как ожидаемая продуктивность этих экосистем крайне мала. В общем, пока водные недра ледяных миров-океанов представляются неплохим местом для обитания одноклеточных, либо крайне простых и экономичных многоклеточных форм жизни.

Судя по всему, нам не суждено встретить внеземной разум в недрах ледяных миров-океанов. Но зато мы вполне можем найти в них разнообразные формы жизни, похожие на наших архей, простейших, а может быть, даже губок или гребневиков! Да, вероятность обнаружить братьев по разуму остается невысокой, но зато прежние представления о границах зоны обитаемости вокруг звезд расширяются в десятки раз. Подледные океаны, подобные европианскому, могут быть «на борту» многих экзопланет, находящихся на самом разном расстоянии от своих светил. К ним еще нужно добавить бессчетное число спутников экзопланет-гигантов, пока еще недоступных для наблюдения. Если наши догадки подтвердятся, то внеземная жизнь в простых формах может оказаться вселенской обыденностью. Она вряд ли ответит нам радиосигналами, но вероятность того, что она существует, растет на глазах, и это не может не вдохновлять.

Источник: https://chrdk.ru/sci/life-under-sheets-of-ice