Животворящие миры
Астробиологи придумали новый тест на пригодность мира к жизни - и кроме Земли, его прошла как минимум еще одна планета
Если планета находится не слишком далеко и не слишком близко к своей звезде, то на ее поверхности может существовать жидкая вода. А значит к ней лучше присмотреться внимательнее - вдруг она обитаема? Теперь астробиологи ввели еще одну шкалу, которая отражает пригодность планеты к формированию на ней жизни земного типа. И когда ученые совместили «линейки жизни», на их пересечении оказалась не только Земля.
Читать оригинальный текст на chrdk.ru
Теперь мы точнее знаем, где нам стоит искать следы жизни. Углублению нашего понимания в этом вопросе очень способствует работа кембриджских астробиологов, опубликованная на днях в журнале Science Advances. Вооружившись современными представлениями об участии ультрафиолетового излучения в небиологическом синтезе предшественников рибонуклеотидов, сырья для молекул РНК, исследователи обозначили зону, в которой возможно зарождение РНК-мира для звезд разного спектрального класса. Вам все ещё интересно и непонятно? Тогда давайте разбираться в подробностях.
Растворитель жизни
Жизнь - это хитро завязанная система самоподдерживающихся химических реакций, которые, как и положено большинству химических реакций, могут протекать с достаточной скоростью лишь в определенном растворителе. Единственный растворитель, подходящий для жизни земного типа - это вода. Может когда-нибудь мы и найдем где-нибудь на Титане сумасшедших существ, биохимия которых будет вариться в жидком метане, но пока что ничего подобного нам не повстречалось.
Жидкая вода может существовать лишь в определенном диапазоне температуры и давления. Судить о давлении на поверхности планеты с расстояния в пару-тройку десятков световых лет мягко говоря, сложновато, а вот с температурой все не в пример проще - в большинстве случаев она определяется светимостью ближайшей к планете звезды и расстоянием до нее. Температура не должна быть слишком низкой, чтобы вода не замерзла, и слишком высокой - чтобы вода не выкипела.
Вычисляемая с опорой на эти соображения зона обитаемости получила название зоны Златовласки, отсылающее нас к героине английской сказки, более известной у нас в качестве Маши из сказки «Три медведя». Та, оказавшись перед сложным выбором между тремя стульями, разумно предпочла средний - в качестве «золотой середины».
Так, в поясе Златовласки находятся три планеты из системы TRAPPIST-1. Изображение: NASA/JPL-Caltech
Считается, что подходящее - не слишком маленькое и не слишком большое расстояние от своей звезды делает возможным существование на ее поверхности жидкой воды, что дает астробиологам возможность поразмышлять о ее обитаемости. Однако на деле получается, что подходящие условия для существования жизни, и для ее зарождения - это две большие разницы.
Но при чем здесь слово «рибонуклеотиды»?
Большинство современных концепций возникновения жизни предполагают, что на самом раннем этапе жизнь существовала в виде РНК-сообщества. Конечно, в полном виде теория мира РНК довольно сложна и не лишена белых пятен, но на сегодняшний день ее статус близок к тому, чтобы быть «Стандартной Моделью зарождения жизни земного типа».
Ее идея проста: эволюция жизни могла начаться лишь с группы молекул, способных к хранению информации и катализу. Современные белки отлично выполняют функции биокатализаторов, но не умеют хранить информацию, а ДНК - хорошо хранит информацию в своей стабильной структуре, но больше ничего не умеет. А вот РНК, переносящая информацию от ДНК к белкам, умеет и хранить информацию (хотя и хуже, чем ДНК), и одновременно работать катализатором, хотя и справляется с этим несравнимо хуже белков.
Исходя из этого, ученые представляют первые формы жизни в виде самокопирующихся колоний РНК, сидящих на твердом минеральном субстрате и периодически омываемых теплыми водами ближайшей лужи.
Однако к этой идиллической картине у нас остаются вопросы. И главный из них - а откуда взялся строительный материал для нашего древнего РНК-мира?
Как собрать мир РНК
Моделирование абиотического (небиологического) синтеза рибонуклеотидов - сырья для сборки РНК - натыкается на целый ряд сложностей. Пока что наиболее реалистичные сценарии возникновения предшественников рибонуклеотидов требуют наличия смеси из сероводорода, сернистой кислоты и циановодорода и ее облучения жестким ультрафиолетом c длиной волны от 200 до 280 нанометров.
Хвала нашему озоновому слою, на поверхности нынешней Земли найти нужную интенсивность излучения в этом спектре можно разве что около ртутной лампы. А вот на древней Земле, лишенной современной атмосферы, условия были вполне подходящие. Как и на множестве других небесных тел за пределами Солнечной системы. Так, может быть, прикинув нужную интенсивность излучения в заданном спектре, можно составить каталог экзопланет, подходящих для абиогенного синтеза рибонуклеотидов - а значит, и для зарождения жизни?
Этим и занимались кембриджские исследователи, о работе которых мы обмолвились в начале рассказа. Как любая астробиологическая статья, их работа изобилует допущениями и щедрыми прикидками. Так, исследователи решили, что их интересуют только экзопланеты, получающие достаточно ультрафиолета для поддержания фотохимических реакций хотя бы с 50% выходом. Их можно понять - синтез предшественника пиримидиновых рибонуклеотидов включает целых семь последовательных реакций. И, как знает любой химик-синтетик, суммарный выход (отношение количества полученного продукта к количеству потраченного реагента) процесса равен произведению выходов его ступеней, то есть с ростом числа стадий он будет сокращаться геометрически. Получается, чтобы получить пиримидин в достаточном количестве после семиступенчатого процесса, общий выход после последней реакции должен составить хотя бы жалкие 0,1%. А для этого фотоиндуцированные стадии должны давать хотя бы 50%. Именно это ограничение позволило определить критически необходимую для всего процесса интенсивность ультрафиолетового излучения в спектре 200−280 нм.
Животворящий Кеплер-452
Вооружившись этим значением, исследователи засели за изрядно подросшие в последние годы реестры экзопланет. Главное, что их интересовало, - это расстояние до ближайшего светила и его спектральные характеристики. На выходе получилась красивая диаграмма.
Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.
На ней мы видим, как зона ультрафиолет-индуцированного абиогенеза (желтая) распределена относительно эффективной температуры звезды и периода обращения экзопланеты вокруг нее (он выдает расстояние планеты от светила). Первое, что бросается в глаза, - это несовпадение получившейся зоны с поясом Златовласки (синий шлейф). С одной стороны, это значит, что на многих уютных мирах, где могла бы быть жидкая вода, нет условий для возникновения РНК, с которой начинается знакомая нам жизнь. В число таких миров попадают, например, планеты, шустро бегающие вокруг тусклого красного карлика TRAPPIST-1. Так что если вы питали какие-либо надежды на то, чтобы познакомиться с жителями системы, названной в честь бельгийского пива, у нас для вас плохие новости.
Но возможны, конечно, и более сложные сюжеты. Так, если планете не повезло попасть в зону жидкой воды, но она попадает в зону абиогенеза, там, если вода появится на ней лишь эпизодически (оттаивая или конденсируясь), даже за короткое время вполне может появиться маленькое РНК-сообщество и как-то приспособиться к жизни «всухую».
Возможен и обратный вариант. Пусть планета находится в поясе жидкой воды вблизи зоны абиогенеза, но немного до неё не дотягивает. У любой звезды периодически случаются вспышки - моменты спонтанного увеличения активности. В такие периоды оранжевая зона абиогенеза будет расширяться (диагональная красная полоса на диаграмме), захватывая планеты, до которых в она чуть-чуть не дотягивается. А значит, на таких планетах также возможен абиогенный синтез рибонуклеотидов и формирование РНК-сообщества.
Особое место на графике занимают две планеты в верхнем правом углу, в самом центре зоны, совмещающей и возможность зарождения и существования жизни. Одна из них - Земля до формирования озонового слоя, а вторая - суперземля Kepler-452b, открытая в 2015 году и сразу же прозваннаяв NASA «Корускант». Она находится примерно в 1 400 световых годах от нашей системы, в 1,6 раз больше Земли и на 1,5 млрд. лет старше.
Сравнение звездных систем Kepler-452, Kepler-186 и Солнечной, их зон обитаемости и позиции планет по отношению к своей звезде. Схема: NASA
Могла ли такая фора по времени увеличить вероятность возникновения жизни на ней? И значит ли, что гипотетическая жизнь на этой планете могла успеть доэволюционировать хотя бы до изобретения радиопередатчика? Как всегда, астробиология задаёт больше вопросов, чем может получить ответов. Полные энтузиазма исследователи проекта SETI почти сразу после открытия Kepler-452b начали прислушиваться к ней в радиодиапазоне, и нынешние расчеты, пусть и несильно, но все же увеличивают их скромные шансы на успех.
Дмитрий Лебедев
Читайте также:
Семь планет и одно солнце - Астрономы нашли семь экзопланет, похожих на Землю, у одной звезды
Ледяные колыбели - Где нам стоит искать внеземную жизнь и как она будет выглядеть
Эхо воды - Радарные снимки обнаружили на Марсе подледниковое озеро
Если планета находится не слишком далеко и не слишком близко к своей звезде, то на ее поверхности может существовать жидкая вода. А значит к ней лучше присмотреться внимательнее - вдруг она обитаема? Теперь астробиологи ввели еще одну шкалу, которая отражает пригодность планеты к формированию на ней жизни земного типа. И когда ученые совместили «линейки жизни», на их пересечении оказалась не только Земля.
Читать оригинальный текст на chrdk.ru
Теперь мы точнее знаем, где нам стоит искать следы жизни. Углублению нашего понимания в этом вопросе очень способствует работа кембриджских астробиологов, опубликованная на днях в журнале Science Advances. Вооружившись современными представлениями об участии ультрафиолетового излучения в небиологическом синтезе предшественников рибонуклеотидов, сырья для молекул РНК, исследователи обозначили зону, в которой возможно зарождение РНК-мира для звезд разного спектрального класса. Вам все ещё интересно и непонятно? Тогда давайте разбираться в подробностях.
Растворитель жизни
Жизнь - это хитро завязанная система самоподдерживающихся химических реакций, которые, как и положено большинству химических реакций, могут протекать с достаточной скоростью лишь в определенном растворителе. Единственный растворитель, подходящий для жизни земного типа - это вода. Может когда-нибудь мы и найдем где-нибудь на Титане сумасшедших существ, биохимия которых будет вариться в жидком метане, но пока что ничего подобного нам не повстречалось.
Жидкая вода может существовать лишь в определенном диапазоне температуры и давления. Судить о давлении на поверхности планеты с расстояния в пару-тройку десятков световых лет мягко говоря, сложновато, а вот с температурой все не в пример проще - в большинстве случаев она определяется светимостью ближайшей к планете звезды и расстоянием до нее. Температура не должна быть слишком низкой, чтобы вода не замерзла, и слишком высокой - чтобы вода не выкипела.
Вычисляемая с опорой на эти соображения зона обитаемости получила название зоны Златовласки, отсылающее нас к героине английской сказки, более известной у нас в качестве Маши из сказки «Три медведя». Та, оказавшись перед сложным выбором между тремя стульями, разумно предпочла средний - в качестве «золотой середины».
Так, в поясе Златовласки находятся три планеты из системы TRAPPIST-1. Изображение: NASA/JPL-Caltech
Считается, что подходящее - не слишком маленькое и не слишком большое расстояние от своей звезды делает возможным существование на ее поверхности жидкой воды, что дает астробиологам возможность поразмышлять о ее обитаемости. Однако на деле получается, что подходящие условия для существования жизни, и для ее зарождения - это две большие разницы.
Но при чем здесь слово «рибонуклеотиды»?
Большинство современных концепций возникновения жизни предполагают, что на самом раннем этапе жизнь существовала в виде РНК-сообщества. Конечно, в полном виде теория мира РНК довольно сложна и не лишена белых пятен, но на сегодняшний день ее статус близок к тому, чтобы быть «Стандартной Моделью зарождения жизни земного типа».
Ее идея проста: эволюция жизни могла начаться лишь с группы молекул, способных к хранению информации и катализу. Современные белки отлично выполняют функции биокатализаторов, но не умеют хранить информацию, а ДНК - хорошо хранит информацию в своей стабильной структуре, но больше ничего не умеет. А вот РНК, переносящая информацию от ДНК к белкам, умеет и хранить информацию (хотя и хуже, чем ДНК), и одновременно работать катализатором, хотя и справляется с этим несравнимо хуже белков.
Исходя из этого, ученые представляют первые формы жизни в виде самокопирующихся колоний РНК, сидящих на твердом минеральном субстрате и периодически омываемых теплыми водами ближайшей лужи.
Однако к этой идиллической картине у нас остаются вопросы. И главный из них - а откуда взялся строительный материал для нашего древнего РНК-мира?
Как собрать мир РНК
Моделирование абиотического (небиологического) синтеза рибонуклеотидов - сырья для сборки РНК - натыкается на целый ряд сложностей. Пока что наиболее реалистичные сценарии возникновения предшественников рибонуклеотидов требуют наличия смеси из сероводорода, сернистой кислоты и циановодорода и ее облучения жестким ультрафиолетом c длиной волны от 200 до 280 нанометров.
Хвала нашему озоновому слою, на поверхности нынешней Земли найти нужную интенсивность излучения в этом спектре можно разве что около ртутной лампы. А вот на древней Земле, лишенной современной атмосферы, условия были вполне подходящие. Как и на множестве других небесных тел за пределами Солнечной системы. Так, может быть, прикинув нужную интенсивность излучения в заданном спектре, можно составить каталог экзопланет, подходящих для абиогенного синтеза рибонуклеотидов - а значит, и для зарождения жизни?
Этим и занимались кембриджские исследователи, о работе которых мы обмолвились в начале рассказа. Как любая астробиологическая статья, их работа изобилует допущениями и щедрыми прикидками. Так, исследователи решили, что их интересуют только экзопланеты, получающие достаточно ультрафиолета для поддержания фотохимических реакций хотя бы с 50% выходом. Их можно понять - синтез предшественника пиримидиновых рибонуклеотидов включает целых семь последовательных реакций. И, как знает любой химик-синтетик, суммарный выход (отношение количества полученного продукта к количеству потраченного реагента) процесса равен произведению выходов его ступеней, то есть с ростом числа стадий он будет сокращаться геометрически. Получается, чтобы получить пиримидин в достаточном количестве после семиступенчатого процесса, общий выход после последней реакции должен составить хотя бы жалкие 0,1%. А для этого фотоиндуцированные стадии должны давать хотя бы 50%. Именно это ограничение позволило определить критически необходимую для всего процесса интенсивность ультрафиолетового излучения в спектре 200−280 нм.
Животворящий Кеплер-452
Вооружившись этим значением, исследователи засели за изрядно подросшие в последние годы реестры экзопланет. Главное, что их интересовало, - это расстояние до ближайшего светила и его спектральные характеристики. На выходе получилась красивая диаграмма.
Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.
На ней мы видим, как зона ультрафиолет-индуцированного абиогенеза (желтая) распределена относительно эффективной температуры звезды и периода обращения экзопланеты вокруг нее (он выдает расстояние планеты от светила). Первое, что бросается в глаза, - это несовпадение получившейся зоны с поясом Златовласки (синий шлейф). С одной стороны, это значит, что на многих уютных мирах, где могла бы быть жидкая вода, нет условий для возникновения РНК, с которой начинается знакомая нам жизнь. В число таких миров попадают, например, планеты, шустро бегающие вокруг тусклого красного карлика TRAPPIST-1. Так что если вы питали какие-либо надежды на то, чтобы познакомиться с жителями системы, названной в честь бельгийского пива, у нас для вас плохие новости.
Но возможны, конечно, и более сложные сюжеты. Так, если планете не повезло попасть в зону жидкой воды, но она попадает в зону абиогенеза, там, если вода появится на ней лишь эпизодически (оттаивая или конденсируясь), даже за короткое время вполне может появиться маленькое РНК-сообщество и как-то приспособиться к жизни «всухую».
Возможен и обратный вариант. Пусть планета находится в поясе жидкой воды вблизи зоны абиогенеза, но немного до неё не дотягивает. У любой звезды периодически случаются вспышки - моменты спонтанного увеличения активности. В такие периоды оранжевая зона абиогенеза будет расширяться (диагональная красная полоса на диаграмме), захватывая планеты, до которых в она чуть-чуть не дотягивается. А значит, на таких планетах также возможен абиогенный синтез рибонуклеотидов и формирование РНК-сообщества.
Особое место на графике занимают две планеты в верхнем правом углу, в самом центре зоны, совмещающей и возможность зарождения и существования жизни. Одна из них - Земля до формирования озонового слоя, а вторая - суперземля Kepler-452b, открытая в 2015 году и сразу же прозваннаяв NASA «Корускант». Она находится примерно в 1 400 световых годах от нашей системы, в 1,6 раз больше Земли и на 1,5 млрд. лет старше.
Сравнение звездных систем Kepler-452, Kepler-186 и Солнечной, их зон обитаемости и позиции планет по отношению к своей звезде. Схема: NASA
Могла ли такая фора по времени увеличить вероятность возникновения жизни на ней? И значит ли, что гипотетическая жизнь на этой планете могла успеть доэволюционировать хотя бы до изобретения радиопередатчика? Как всегда, астробиология задаёт больше вопросов, чем может получить ответов. Полные энтузиазма исследователи проекта SETI почти сразу после открытия Kepler-452b начали прислушиваться к ней в радиодиапазоне, и нынешние расчеты, пусть и несильно, но все же увеличивают их скромные шансы на успех.
Дмитрий Лебедев
Читайте также:
Семь планет и одно солнце - Астрономы нашли семь экзопланет, похожих на Землю, у одной звезды
Ледяные колыбели - Где нам стоит искать внеземную жизнь и как она будет выглядеть
Эхо воды - Радарные снимки обнаружили на Марсе подледниковое озеро