Достаточно ли на ледяных мирах химических веществ, чтобы поддерживать там жизнь?

Десятилетиями учёные считали, что под ледяной поверхностью Европы, спутника Юпитера, может быть жизнь. За это время появилось несколько различных свидетельств в пользу того, что этот спутник не одинок. И действительно, в Солнечной системе существует множество «океанических миров», потенциально способных поддерживать жизнь: Церера, Ганимед, Энцелад, Титан, Диона, Тритон, и даже, вероятно, Плутон. Но что, если на этих мирах не хватает элементов, необходимых для такой жизни, какую мы знаем? В новом исследовании двое учёных из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) решили определить, может ли у океанских миров оказаться дефицит необходимых для жизни элементов. Их выводы могут серьёзно повлиять на теории о существовании жизни в Солнечной системе и за её пределами, не говоря уже о наших способностях изучать жизнь. Исследование, недавно появившееся в интернете, озаглавлено «Подавлено ли развитие внеземной жизни на мирах с подповерхностными океанами из-за нехватки необходимых для жизни элементов?» Им руководил Манасви Лингам, постдок из Института теорий и вычислений (ITC) Гарвардского университета и CfA при поддержке Абрахама Лоуба – директора ITC, и Фрэнка Бэйрда, младшего профессора наук в Гарварде.

Художественное изображение водной экзопланеты, находящейся у удалённого от нас красного карлика

В предыдущих исследованиях вопросы обитаемости лун и других планет концентрировались вокруг наличия воды. Так было и при изучении планет и спутников внутри Солнечной системы, и так есть при изучении планет, находящихся вне её. Находя новые экзопланеты, астрономы тщательно изучают вопрос того, находится ли эта планета в рамках обитаемой зоны своей звезды.

Это – главный признак того, может ли планета иметь у себя на поверхности жидкую воду. Кроме того, астрономы пытаются получить спектроскопические данные об окружении каменистых экзопланет, чтобы определить, теряет ли планета воду из атмосферы – об этом может говорить наличие молекулярного водорода. Тем временем другие исследования пытаются определить наличие источников энергии, поскольку они также критически важны для существования известных нам форм жизни.

В отличие от них, доктор Лингам и профессор Лоуб рассмотрели вопрос того, каким образом жизнь на океанических планетах может зависеть от доступности ограничивающих питательных веществ (ОПВ) [limiting nutrients]. Какое-то время шли жаркие споры по поводу того, какие именно питательные вещества необходимы для внеземной жизни, поскольку наличие таких веществ может меняться от места к месту и с течением времени. Как написал нам Лингам по электронной почте:

В наиболее общепринятый список элементов, необходимых для жизни известного нам типа, входят водород, кислород, углерод, азот и сера. Кроме того, небольшое количество определённых металлов (например, железа и молибдена) тоже может оказаться ценным для жизни, однако список таких металлов более неопределённый и варьирующийся.

Художественное изображение внутренней части разреза коры Энцелада, показывающий, как гидротермальная активность может приводить к появлению водяных гейзеров на поверхности спутника.

Для исследования Лингам и Лоуб создали модель на основе земных океанов, чтобы определить, может ли процесс появления и исчезновения в океанах ОПВ быть похожим на аналогичные процессы, происходящие на других мирах. На Земле источниками ОПВ служат реки, атмосфера и ледники, а энергию обеспечивает солнечный свет.

Они посчитали, что из всех перечисленных веществ самым важным будет фосфор, и оценили, сколько его и других элементов могут содержать океанические миры с разными исходными условиями. Как пояснил Лингам, логично предположить, что на таких мирах потенциальное существование жизни также будет определяться наличием баланса между притоком и оттоком ОПВ.

«Если оттоки гораздо сильнее притоков, это может говорить о том, что нужные элементы исчезнут относительно быстро. Чтобы оценить мощность притоков и оттоков, мы использовали знания о Земле, совместив их с основными параметрами океанических миров, такими, как pH океана, размер мира и прочее – со всем, что известно из наблюдений и теоретических моделей».

И хотя атмосферные источники для подповерхностных океанов недоступны, Лингам и Лоуб учитывали вклад гидротермальных источников. Свидетельства их существования получены уже для Европы, Энцелада и других океанических миров. Также они рассматривали небиологические источники – такие, как минералы, вымываемые из камней дождями на Земле, или, в случае спутников – океанскими водами.

Художественное изображение возможной геотермальной активности, которая способна идти на дне моря на Энцеладе

Они обнаружили, что на океанических мирах Солнечной системы с большой вероятностью может не хватать ОПВ, по контрасту с водой и энергией.

Мы обнаружили, что запасы фосфора, одного из наиболее важных для жизни элементов по предположениям нашей модели, довольно быстро (по геологическим меркам) исчезают на океанических мирах, имеющих нейтральные или щелочные океаны с гидротермической активностью. Следовательно, из нашей работы следует, что жизнь на таких мирах может существовать в небольших концентрациях (или на небольших временных промежутках), и, следовательно, её довольно трудно будет обнаружить.

Такой вывод, естественно, влияет на миссии, предназначенные для изучения Европы и других спутников во внешней Солнечной системе. Сюда входит и миссия НАСА Europa Clipper, которая должна стартовать в промежутке от 2022 до 2025 года. Зонд должен несколько раз пролететь поблизости от поверхности Европы и попытаться обнаружить биомаркеры в струях гейзеров, поднимающихся с поверхности спутника. Сходную миссию предлагают направить и к Энцеладу, кроме того, НАСА рассматривает возможность миссии "Дрэгонфлай" для изучения атмосферы, поверхности и метановых озёр Титана. Однако, если исследование Лингама и Лоуба окажется верным, то шансы у этих миссий найти признаки жизни в океанических мирах Солнечной системы будут довольно скудными. Тем не менее, как отметил Лингам, они всё равно верят в необходимость проведения подобных миссий.

Художественное изображение космического аппарата миссии Europa Clipper.

«Хотя наша модель предсказывает, что будущие космические миссии к этим мирам имеют мало шансов успешно обнаружить внеземную жизнь, мы считаем, что их всё равно стоит проводить, — сказал он. – Они дадут прекрасную возможность проверить и подтвердить или опровергнуть ключевые предсказания нашей модели, и собрать больше данных, чтобы улучшить наше понимание океанических миров и их биогеохимических циклов».

Кроме того, как написал Лоуб, это исследование было сконцентрировано на жизни известного нам рода. Если миссии к этим мирам смогут найти источники внеземной жизни, это будет означать, что жизнь может появиться на базе условий и элементов, нам незнакомых. В связи с этим исследование Европы и других океанических миров не только желательны, но и необходимы.

«Наша работа демонстрирует, что такой важный компонент известного нам типа жизни, как фосфор, быстро истощается в подповерхностных океанах, — сказал он. – В результате этого в океанах, которые, как считается, могут существовать под поверхностным льдом Европы или Энцелада, жизни придется нелегко. Если будущие миссии подтвердят низкий уровень фосфора, но при этом обнаружат в этих океанах жизнь, тогда мы узнаем о новом химическом пути для жизни, отличном от земного».

В итоге учёным в поисках жизни во Вселенной приходится использовать подход наименьшего сопротивления. Пока мы не обнаружим жизнь за пределами Земли, все наши обоснованные предположения будут базироваться на такой жизни, что существует у нас на планете. Не могу даже представить лучшего предлога для того, чтобы выбраться отсюда и изучить Вселенную!