# Как системная химия и суперземли приближают открытие внеземной жизни Источник: https://www.youtube.com/watch?v=aQNWR9WftHY Канал: World Science Festival Опубликовано: 13.10.2020 --- Поиск внеземной жизни выходит на принципиально новый уровень благодаря неожиданному пересечению астрофизики экзопланет и пребиотической химии. Профессор Гарвардского университета Димитар Сасселов в рамках лекции для World Science Festival рассказывает, как открытие тысяч далеких миров и успешные лабораторные эксперименты по созданию минимальной клетки меняют наше понимание феномена зарождения жизни. Человечество оказалось беспрецедентно близко к ответу на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, и этот прорыв ожидается в ближайшее десятилетие. ## 🌌 Парадокс определения: что именно мы ищем? [[JUMP:0:05]] Наука вплотную приблизилась к долгожданному практическому поиску жизни за пределами Солнечной системы. Однако перед исследователями изначально встают два фундаментальных вопроса: существует ли жизнь на других планетах и как мы сможем её распознать при дистанционном наблюдении? По признанию Димитара Сасселова, в мировом научном сообществе до сих пор отсутствует единое общепринятое определение жизни. Палеобиологи успешно реконструируют историю земных организмов по окаменелостям, кристаллографии минералов и молекулярным сигнатурам, поскольку вся биосфера Земли взаимосвязана через единое генетическое древо. Но на далеких экзопланетах химическая основа жизни может оказаться принципиально иной, что делает земные морфологические критерии бесполезными. Среди множества гипотез Сасселов выделяет так называемое «определение NASA», согласно которому жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции. При этом важно оценивать поведение системы в целом, а не её отдельные изолированные свойства. Димитар Сасселов выделяет три ключевых аспекта этой системы, которые должны работать как единое целое: * **Использование энергии:** способность поддерживать метаболизм и внутреннюю стабильность за счёт внешних источников. * **Химическая природа:** материальная основа, способная кодировать и усложнять структуры в космических масштабах. * **Дарвиновская эволюция:** универсальный механизм адаптации и самооптимизации, который, как показывают лабораторные тесты, может успешно функционировать даже на доклеточном уровне простых молекул РНК. ## 🔬 Космическая иерархия и границы планетарной геохимии [[JUMP:10:29]] С точки зрения современной астрофизики, наблюдаемая Вселенная состоит из трёх базовых сущностей, где привычная нам обычная (барионная) материя составляет скромные 5% общего баланса, уступая тёмной материи и тёмной энергии. По мнению Сасселова, структуры тёмной материи и энергии, доминирующие в масштабах галактических суперкластеров, принципиально лишены химической сложности, необходимой для возникновения жизни. В масштабах звезд и галактик барионная материя исторически состояла почти исключительно из водорода и гелия. Лишь на поздних этапах эволюции Вселенной космос обогатился продуктами термоядерного синтеза звезд — кислородом, углеродом и азотом. Физико-химические свойства водорода, гелия и распространенного неона таковы, что они абсолютно не приспособлены для построения стабильных сложных систем. Для зарождения жизни требуется широкое вовлечение элементов периодической таблицы Менделеева, в первую очередь — углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Переломный момент, когда химическое доминирование водорода и гелия ослабевает в пользу тяжелых элементов («металлов» в терминологии астрономов), происходит исключительно при формировании планет. Революционные открытия астрофизики последних десятилетий убедительно доказали, что жизнь — это сугубо планетарный феномен, развивающийся как прямое продолжение локальной геохимии. ## 🪐 Суперземли и водные миры: классификация новых планет [[JUMP:18:30]] Крупные газовые гиганты вроде Юпитера и Сатурна не подходят для развития жизни: они не имеют твердой поверхности, а все тяжелые элементы в них критически разбавлены колоссальными объемами водорода и гелия. Настоящим открытием для науки стали «суперземли» — скалистые планеты, которые крупнее и массивнее Земли, но значительно меньше Урана и Нептуна. Астрономические данные показывают, что суперземли являются самым распространенным типом планет в нашей галактике, несмотря на их отсутствие в Солнечной системе. В качестве примера Сасселов приводит систему Kepler-62 с пятью транзитными планетами, где объекты Kepler-62e и Kepler-62f находятся в пределах так называемой «зоны обитаемости». Этим термином обозначается оптимальный диапазон расстояний от звезды, где планета получает достаточно тепла, чтобы вода на её поверхности не замерзала навсегда и не испарялась в виде пара. Одержимость поиском воды продиктована астрономической логикой: вода состоит из водорода и кислорода — двух из самых распространенных химически активных элементов во Вселенной. Анализ плотности экзопланет, проведенный в Гарварде исследовательницей Кортни Дрессинг (Courtney Dressing), показал, что Земля, Венера и ряд открытых суперземель идеально ложатся на одну теоретическую кривую каменистого состава с тяжелым железным ядром. Тем не менее планетные системы четко разделяются на две категории: сухие каменистые аналоги Земли и тотальные водные миры. Димитар Сасселов спешит разрушить популярный стереотип о Земле как о водной планете. На самом деле наши океаны невероятно мелки: если собрать всю воду Земли вместе с подземными резервуарами, получится крошечная капля размером с Техас на фоне огромного силикатного шара. Настоящие водные планеты устроены иначе: Сасселов выделяет три гипотетических геохимических сценария для экзопланет в зоне обитаемости: 1. **Полностью водный мир:** планета, где вода составляет значительную часть массы, а глубина океана достигает 100 километров. На его дне из-за чудовищного давления образуется экзотический лед VII с кубической кристаллической решеткой, полностью изолирующий воду от скального ложа. 2. **Мир с мелким океаном:** жидкая вода полностью покрывает планету, но её слой относительно тонок, и океан напрямую контактирует с коренными скальными породами на дне. 3. **Земной тип:** сбалансированная система, в которой часть каменистой суши неизменно выступает над поверхностью океанов. ## 🔄 Планетарные циклы и атмосферный контроль [[JUMP:33:57]] На каменистых планетах калибра Земли состав атмосферных газов жестко регулируется глубинным водным циклом, переносящим влагу между поверхностью и мантией через тектонические процессы. Не менее важен глобальный углеродный цикл. Углекислый газ ($CO_2$), извергаемый вулканами, связывается атмосферными осадками, вступает в реакцию с поверхностными силикатными минералами горных пород и вместе с тектоническими плитами возвращается обратно в недра. [Image of the carbon cycle] На тотальных водных планетах этот углеродный цикл не работает из-за отсутствия обнаженной суши. Медленная конвекция глубинного льда VII занимает около миллиона лет, но все же способна доставлять газы к поверхности. Однако в условиях экстремального давления на водных мирах ключевую роль начинают играть клатраты (газовые гидраты) — кристаллические структуры заполненного льда, намертво запирающие в себе летучие соединения вроде метана и $CO_2$. Подобные физико-химические структуры хорошо знакомы инженерам по авариям при глубоководном бурении в Мексиканском заливе. По мнению Сасселова, именно клатраты на водных суперземлях служат главным диспетчером атмосферы, определяя, какие газы выйдут наружу, а какие останутся в недрах. Это дает астрономам четкий маркер для разделения типов планет по спектру их атмосферы. ## 📡 Смена парадигмы: от тридцати лет к пяти годам [[JUMP:41:31]] Статистические данные космического телескопа Kepler перевернули представления ученых о распространенности планет. Выяснилось, что первоначальные оценки количества небольших планет в зонах обитаемости были занижены примерно в 100 раз. Экстраполяция показывает, что только в нашей галактике Млечный Путь насчитывается от 1 до 5 миллиардов потенциально обитаемых миров. Димитар Сасселов подчеркивает важнейший технологический сдвиг: > «Три года назад я сказал бы вам, что нам придется ждать от 20 до 30 лет, прежде чем технологии позволят дотянуться до ближайших интересных экзопланет. Новые данные сократили этот график до 5–10 лет». Для поиска этих близлежащих миров NASA уже утвердило космическую миссию TESS, запуск которой намечен на лето 2017 года. Инструменты дистанционного зондирования, развивающиеся со времен первого Спутника, достигли невероятной точности. Сасселов приводит ироничное сравнение: современные портативные спектрографы могут на расстоянии зафиксировать пары алкоголя в выдохе буйного футбольного фаната на стадионе в Германии. Аналогичный метод транзитной спектроскопии используется при изучении экзопланет, когда свет звезды профильтровывается сквозь тонкий слой атмосферы проходящей мимо планеты. Телескоп «Хаббл» уже успешно нашел водяной пар на горячем гиганте HAT-P-1b, а грядущий запуск супертелескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) через три года позволит применить эту технологию к ближайшим суперземлям. ## 🧪 Жизнь в пробирке: системная химия и минимальная клетка [[JUMP:51:21]] Чтобы расшифровать данные спектров далеких планет, астрофизикам необходим химический эталон. Древняя Земля была заселена микробами задолго до того, как они кардинально перестроили атмосферу, насытив её кислородом. Прямо сейчас в земных лабораториях ученые пытаются воссоздать искусственную минимальную клетку — чистую химическую модель, воспроизводящую базовые свойства живого без эволюционной сложности современных организмов. Биохимия стоит на трех китах: информационной системе (РНК и ДНК), пространственной обособленности (липидные мембраны) и метаболизме (белки и аминокислоты). Полвека ученые заявляли о неразрешимом парадоксе: синтез этих компонентов требует абсолютно разных, взаимоисключающих химических условий. Исторический эксперимент Миллера — Юри в 1950-х годах доказал возможность абиогенного получения аминокислот с помощью электрических искр, но зашел в тупик при попытке синтезировать нуклеотиды для РНК. Ситуацию изменил триумф системной химии, осуществленный 6 лет назад в британской лаборатории Джона Сазерленда (John Sutherland). Исследователи отказались от идеи собирать РНК из готовых изолированных блоков. Вместо этого они обнаружили единый сетевой путь реакций, где при обязательном посредничестве фосфатов и воздействии ультрафиолетового света (вместо жестких разрядов молний) из простых молекул вроде цианистого водорода в одном «котле» одновременно рождаются и нуклеотиды РНК, и аминокислоты, и предшественники липидов для мембран. По мнению Димитара Сасселова, создание такой работающей минимальной клетки в лаборатории даст астрономам четкую химическую карту обратных связей с окружающей средой. Когда телескоп «Джеймс Уэбб» пришлет первые детальные спектры атмосфер далеких суперземель, у ученых будет готовая модель, позволяющая со 100% уверенностью сказать, имеем ли мы дело с мертвой планетарной геохимией или перед нами уникальные следы подлинной внеземной биохимии.