Признаком существования жизни на экзопланете может быть одновременное присутствие метана, азота, углекислого газа и водяного пара в ее атмосфере, сообщают ученые в журнале Science Advances. Дополнительно указывать на наличие живых организмов может отсутствие угарного газа, который активно потребляется микробами. Сделанные астрономами оценки помогут при поиске жизни за пределами Земли, а также при отборе планет-кандидатов для дальнейших исследований.
В нашей галактике предположительно существует несколько триллионов планет, десятки миллионов из которых могут быть потенциально обитаемы. Поскольку мы не можем напрямую наблюдать поверхности далеких небесных тел, для поиска жизни приходится использовать косвенные методы, в частности спектроскопию атмосферы. Она позволяет узнать химический состав атмосферы и найти так называемые биомаркеры — вещества, которые говорят о том, что на планете могут существовать растения или микроорганизмы. Сегодня в число наиболее популярных биомаркеров входят кислород, озон, вода, метан и углекислый газ. Каждый из них по отдельности может иметь естественное происхождение, в то время как их комбинации могут указывать на жизнь земного типа.
Сегодня на Земле наблюдается очень сильный химический дисбаланс в атмосфере, обусловленный большим количеством живых организмов на ее поверхности. Например, если бы мы выключили все жизненные процессы, производящие кислород и метан, то за довольно короткое время в газовой оболочке нашей планеты этих веществ бы попросту не осталось, так как они взаимодействуют между собой и «убирают» друг друга. Однако в докембрийский период, на который приходится около 90 процентов истории нашей планеты, разнообразие организмов на Земле было заметно меньше, поэтому и состав атмосферы должен был отличаться. При этом, какие биомаркеры в таком случае указали бы на обитаемость нашей планеты, изучено плохо.
В новой работе ученые под руководством Джошуа Криссансена-Тоттона (Joshua Krissansen-Totton) рассчитали, каким мог быть химический состав системы атмосфера-океан во время архея, протерозоя и фанерозоя (период, начавшийся 542 миллиона лет назад и продолжающийся в наше время). Для этого они использовали специальную модель, которая рассчитывает разницу в энергии Гиббса между исходным и конечным состоянием системы. Энергия Гиббса позволяет нам установить принципиальную возможность протекания химической реакции в заданных условиях.
Выяснилось, что химический дисбаланс в океанически-атмосферной системе Земли возрастал по мере эволюции жизни. Наибольшее равновесие наблюдалось в период архея, которое заметно уменьшилось во время кислородной катастрофы, когда в эпоху протерозоя состав воздуха резко изменился. Другой глобальный рост кислорода, случившийся в неопротерозой, привел к росту дисбаланса.
Если жизнь архея была хемотрофной (хемотрофные организмы получают энергию благодаря окислительно-восстановительным реакциям), то в атмосфере должно было наблюдаться повышенное количество CO2, N2, CH4 и водного пара. При аноксигенном фотосинтезе химический дисбаланс должен был лишь увеличиться. Во время протерозоя и фанерозоя на планете-близнеце Земли на признаки жизни укажет одновременное присутствие O2, N2 и жидкой воды.
Исследователи отмечают, что даже несмотря на наличие других источников метана, включая вулканы, столкновения с астероидами, взаимодействие между водой и горными породами, большие количества этого газа в атмосфере чаще всего можно объяснить наличием жизни. Отдельным признаком обитаемости, по мнению астрохимиков, будет служить отсутствие угарного газа CO, служащего «промежуточным состоянием» углерода между его максимальной и минимальной степенью окисления( +4 в углекислом газе и −4 в метане). Одновременное присутствие окисленной и восстановленной форм углерода в составе газовой оболочки и отсутствие CO лучше всего объясняется существованием живых организмов на планете.
В будущем изучением атмосфер займется телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого намечен на весну 2019 года. Сегодня уже известны его первые цели для наблюдений: это планеты системы TRAPPIST, Юпитер, Церера, астероид Рюгу и другие небесные тела.