Панспермия начинается в звёздных яслях
Гипотеза панспермии (хаотичное распространение жизни во Вселенной в результате переноса биомолекул с одной планеты на другую) была впервые сформулирована в 1865 году немецким учёным Германом Рихтером, но отношение к ней до сих пор немного снисходительное. Действительно, Рихтер бездоказательно (чисто логически) расширил таким образом теорию эволюции Чарльза Дарвина, которой весьма интересовался. Может показаться, что гипотеза панспермии — это уход от ответа, переносящий происхождение жизни «куда-то ещё». Тем не менее, поиски обоснования панспермии позволили убедиться, что органика (вплоть до аминокислот) во Вселенной достаточно распространена. Особый интерес в качестве межзвёздных резерватов органики представляют экзотические кометы, а также теплые протопланетные облака, именуемые «звёздными яслями».
Неудивительно, что в XXI веке эта гипотеза обрела новое дыхание, поскольку сильно шагнул вперёд спектральный анализ внесолнечных миров, а также сыграла свою роль обычная научная педантичность, связанная с изучением Марса. Поиски реликтовой жизни на Марсе — одно из главных направлений современной планетологии и астробиологии, а также именно та часть астробиологии, которой можно заниматься экспериментально.
Как известно, жизнь не самозарождается. Здесь можно было бы оговориться, что не самозарождается жизнь земного типа, но из этого мы будем исходить по умолчанию, так как иной жизни кроме земной мы не знаем. Существует классическая книга Френсиса Крика о зарождении жизни (Life Itself) (1998), переведённая на русский язык под названием «Жизнь как она есть». В ней автор (лауреат Нобелевской премии, совместно с Джеймсом Уотсоном отмеченный этой премией в 1962 году за расшифровку принципов работы ДНК) излагает, как мог образоваться первичный бульон, а также освещает ключевые отличия между одноклеточной и многоклеточной жизнью. Можно предположить, что граница между крупными биомолекулами и мельчайшими организмами зыбкая, проницаемая и может быть пересечена практически случайно.
Поскольку живая материя слагается из тех самых элементов, что и неживая (причём, преимущественно лёгких и широко распространённых), вполне можно предположить, что жизнь может зародиться не только на суше или в океане, но и, например, в облаках тёплой планеты. Подобную гипотезу об обитаемости облаков Венеры высказывал ещё Карл Саган. Однако можно пойти ещё дальше и задуматься о том, насколько возможна обитаемость некоторых туманностей и зон активного звездообразования — поскольку состав таких туманностей бывает весьма разнообразным. Например, как я отмечал в одной из недавних публикаций, в туманности Ро Ориона обнаружен даже молекулярный кислород. В 2015 году спектральный анализ выявил в туманности B2 в созвездии Стрельца карбоксильные группы (COOH) и настоящие фруктовые эфиры, и, в зависимости от их концентрации, это межзвёздное облако может пахнуть малиной или ромом. Соответственно, в космосе достаточно распространены условия для бурного протекания реакций с органикой. Но у нас ещё хватает пробелов в понимании таких пребиотических процессов и в том, каковы могут быть двигатели панспермии (как планета может засеваться жизнью).
Поиск ответов на эти вопросы, опять же, начинается на Марсе. Марсоход «Персеверанс» однозначно обнаружил на Марсе углеродсодержащие биомолекулы. Поскольку вариант с антропогенным загрязнением можно было исключить (учитывая, что «Персеверанс» работает на Марсе уже более двух лет), остаётся три варианта: либо это остатки давно погибшей марсианской биосферы, либо эти молекулы постепенно осели на Марс, достигнув за миллионы лет вполне обнаружимой концентрации, либо они были занесены кометами. Вариант с кометами интереснее и реалистичнее. Марс — чрезвычайно сухая планета, а из-за тонкости атмосферы и слабости тяготения поверхностные марсианские запасы воды продолжают улетучиваться в космос. Поэтому запасы воды на Марсе явно должны пополняться, и наиболее реалистичный источник воды (льда) — это кометы. В таком качестве кометы особенно интересуют астробиологов, так как являются источниками не только водяного льда, но и льда вместе с органикой. Именно по результатам изучения комет девиз астробиологии из «ищите воду» превратился в «ищите органику».
Кометы — переносчики жизни
Как известно, большинство ныне известных комет — это заледенелые остатки того протопланетного облака, из которого образовалась Солнечная система. Если не считать Оумуамуа, единственной внесолнечной кометой, зарегистрированной в нашей системе, является 2I/Борисова, открытая в 2019 году. Все прочие кометы — «родные» для нашей системы.
Кометы интересуют планетологов в основном по причине своей завидной «стерильности» — то есть, состав кометных ядер за последние 4,5 миллиарда лет практически не изменился. Соответственно, в кометах могут содержаться ответы на вопрос о том, как сформировалась Солнечная система. Большинство кометных орбит пролегает за снеговой линией, то есть, эти кометы никогда не тают. Но из-за возникающих гравитационных возмущений некоторые кометы могут подлетать значительно ближе к Солнцу, подтаивая, испускать облака газа — и состав этих газов уже не составляет труда проанализировать.
В ряду таких комет особняком стоит комета C/2014 Q2 (Лавджоя) — одна из самых ярких и наиболее активных комет со времён кометы Хейла-Боппа, наблюдавшейся в 1997 году. Комета C/2014 Q2 прошла ближе всего к Солнцу 30 января 2015 года; тогда она испускала водяной пар со скоростью 20 тонн в секунду.
Телескоп в горах Сьерра-Невада (Испания), с которого наблюдалась комета C/2014 Q2
У подтаявшей кометы образуется своеобразная «атмосфера», которая за снеговой линией у комет отсутствует. Солнечный свет возбуждает молекулы в этой атмосфере, и они излучают в микроволновом спектре. У каждой молекулы есть специфическая сигнатура, которую можно «транспонировать» в видимый спектр при помощи специальных приборов. Поэтому, несмотря на всю ограниченность периода наблюдений, удаётся зафиксировать самый широкий набор молекул.
Наиболее удивительными компонентами C/2014 Q2 оказались спирты и сахара, а также более простая органика, в частности, цианиды. Вот примерный состав этой кометы, приведённый в одной из первых обзорных статей по результатам спектрального анализа: впервые в составе кометы были обнаружены этиловый спирт (этанол C2H5OH), гликольальдегид (CH2OHCHO), а также (уже не впервые) этиленгликоль ((CH2OH)2), метилформиат (HCOOCH3), формамид (NH2CHO), муравьиная кислота (HCOOH) и ацетальдегид (CH3CHO).
Комета C/2014 Q2 не оставила сомнений, что именно на кометах в период первичной метеоритной бомбардировки на Землю и Марс поступили большие объёмы воды и органики, а также прекурсоры биомолекул. Кометы, в свою очередь, почерпнули этот материал из того газопылевого диска, который послужил сырьём для формирования Солнечной системы. Существует гипотеза, что это газопылевое облако, в свою очередь, стало побочным продуктом от взрыва небольшой сверхновой, однако, безотносительно этой гипотезы, сверхновые действительно порождают при взрыве обширные газопылевые облака, а излучение от вспышек сверхновых (которые бывают довольно длительными) способствует образованию сложных молекул, в том числе, органики. Схожий эффект дают звёздные ветры, испускаемые красными гигантами на заключительных этапах эволюции.
Каждая из бесчисленных пылинок в таком облаке — это потенциальное зерно аккреции, то есть, твёрдое тело, которое, увеличиваясь в размерах, может обледенеть. Этот лёд может быть водяным, углекислотным (сухим), а также аммиачным и даже фторидным, заключая в себя сырьё для формирования биомолекул. Высвобождение этого сырья возможно только в тех условиях, в которых лёд может растаять; насколько нам известно, такие условия существуют только на поверхности планет и, возможно, спутников. Но известны и гигантские молекулярные облака, плотность и температура которых вполне располагает к длительным и многоэтапным реакциям с участием органики.
Гигантские молекулярные облака
Звёзды формируются в обширных молекулярных облаках, также именуемых «звёздными яслями». Облако может простираться на сотни световых лет, а по массе в миллионы раз превосходить Солнце. Состоит такое облако из пыли и газов, в основном — водорода. Именно из водорода формируются молодые звёзды. Однако уже известно, что в молекулярных облаках также содержатся азот и углерод, важные для формирования сложных пребиотических молекул (прото-органики). В феврале 2023 года в журнале «Nature» вышла статья (подготовленная на химическом факультете университета штата Колорадо в Боулдере), описывающая, как в условиях межзвёздной среды формируются кольцевые органические молекулы. Простейшие из таких реагентов — это исходно кольцевой ортобензол и метил, которые, в свою очередь, дают более сложные кольцевые молекулы.
По-видимому, именно кольцевые органические молекулы являются переходным звеном от органической химии к биохимии. Кольцевые участки характерны для спиртов и сахаров, и именно при разрыве этих колец в ходе метаболизма высвобождается энергия. Используя эту энергию, система может питаться, расти и размножаться. Сложная органика и, в частности, сахар рибоза, необходимы для формирования нуклеиновых кислот — РНК и ДНК. В дальнейшем эти молекулы инкорпорируются в ядра комет и могут быть разнесены в любом направлении.
Есть основания полагать, что жизнь возможна только на основе химии углерода, так как только углерод может образовывать цепочки и кольца из сотен, тысяч и сотен тысяч атомов, а именно такой сложностью (как химической, так и пространственной) характеризуются биомолекулы. В сущности, даже рибосома, обеспечивающая в живой клетке синтез белков, является огромной биомолекулой. Поэтому в настоящее время поиск зёрен жизни ограничивается поиском сложных углеродсодержащих молекул.
Одним из основных регионов такого поиска сейчас является Молекулярное Облако Тельца (TMC = Taurus Molecular Cloud), расположенное в созвездиях Тельца и Возничего. Эти звёздные ясли находятся довольно недалеко, примерно в 440 световых годах от нас — поэтому их особенно удобно наблюдать. Наряду с молекулярным водородом это облако содержит и разнообразную органику — молекулы, построенные на базе углеродных пятиугольников.
Ещё в середине 2010-х годов присутствие таких сложных молекул в облаке Тельца казалось парадоксальным. Температура в этом облаке составляет около -263 °C. Именно при столь низких температурах звёздная колыбель постепенно сгущается, и тем самым создаются условия для зарождения звёзд. С другой стороны, в пределах звезды или в зоне начинающихся ядерных реакций никакая органика сохраниться не может. По-видимому, (как предположили в 2021 году учёные из университета штата Колорадо) именно излучение множества новорождённых звёзд катализирует сцепление атомов углерода в ортобензол, который затем дорастают до более сложных молекул.
О формировании зачатков ДНК в космосе
В экспериментальной науке XX-XXI века сложилась богатая традиция лабораторного изучения основ жизни. Одним из первых такие опыты ставил в 1920-е годы советский учёный Александр Иванович Опарин, пытавшийся показать, как химическая эволюция переходит в биологическую. Тем не менее, первый удачный эксперимент по получению аминокислот в условиях, близких к земной протобиосфере, состоялся в 1953 году. Его осуществили американские учёные Стэнли Миллер и Гарольд Юри, этот знаменитый опыт описан на Хабре и за его пределами.
В 2018 году аналогичный эксперимент был поставлен уже не для протоземных условий, а для таких, какие существуют в звёздных яслях. Его провели специалисты из центра им. Эймса в составе НАСА. Разреженную смесь газов, аналогичную по составу облаку Тельца, довели до концентрации и температур, характерных для межзвёздной среды, а затем облучали её жёстким ультрафиолетом. Руководитель эксперимента Мишель Нуэво заявил, что им удалось получить сахар дезоксирибозу, являющийся полуфабрикатом для ДНК, а также некоторые другие сахара, ранее полученные в схожих экспериментах, и формальдегид, довольно обычный в составе комет.
Эти опыты показали, что сложная органика должна быть распространена в космосе за пределами планет гораздо шире, чем предполагалось ранее. Более того, «подготовительные» этапы эволюции, тот самый переход от химии к биологии, могут протекать прямо в межзвёздном пространстве. В 2023 году в Стюардовской обсерватории при университете штата Аризона был запущен масштабный поиск органики в Облаке Тельца. Под руководством Саманты Скибелли были найдены сигнатуры метанола и ацетальдегида. Удалось установить, что эти молекулы чаще всего встречаются в беззвёздных (тусклых) зонах облака, где звёзды ещё не зажглись, а активная аккреция уже началась. По-видимому, «протозвёзды» почти не отличаются от «протопланет» — просто некоторые из этих тел наберут массу, необходимую для запуска термоядерных реакций, а другие — нет.
Изучались объекты, условно названные «дозвёздными ядрами» (pre-stellar cores). В течение 500 часов в них искали сигнатуры метанола и более сложных спиртов. Органика и метанол в частности были обнаружены в 31 таком ядре, в большинстве из них также присутствовал ацетальдегид.
Дозвёздные ядра эволюционируют гораздо быстрее галактик (за считанные миллионы лет), но, по-видимому, в силу обилия водорода, большинство из них быстро превращаются в звёзды, тем самым сжигая всю накопившуюся в них органику. В настоящее время учёных интересуют дозвёздные ядра на самых ранних этапах эволюции, которые ещё точно не зажглись. В них можно было бы зафиксировать процессы накопления органики, а также образования комет в отсутствие звёзд как таковых. Детали и тайминг этих процессов пока не известны, но уже можно не сомневаться, что звёздные ясли служат колыбелью не только для звёзд и планет, но и для биомолекул и, в конечном итоге, убедительно подкрепляют гипотезу панспермии, которая на наших глазах превращается в теорию.
