Поиск лучшего способа отличить жизнь от нежизни

Поиск жизни на других планетах требует методов анализа химического состава их атмосфер. Если бы другой вид наблюдал за Землёй, он искал бы "улики" в атмосфере, такие как кислород, который производится растениями и некоторыми бактериями в процессе фотосинтеза. Ключ — найти химические "сигналы", зависящие от жизни, на экзопланетах.

Космический телескоп "Джеймс Уэбб" (JWST) изучает атмосферы экзопланет, открывая новые возможности в поиске жизни. Однако, помимо кислорода, учёные до сих пор не определили другие однозначные химические сигналы, говорящие "здесь есть жизнь!".

Возможно, поиск одного "святого Грааля" — неверный подход. В новой статье в The Planetary Science Journal исследователи предлагают изучать взаимодействие химических веществ в атмосфере планеты, создав систему, способную найти даже "жизнь, которую мы не знаем".

Сетевой подход

Помимо кислорода, есть и другие биосигнатурные газы, например, метан, который производят земные организмы. Однако он также в больших количествах существует абиогенно (без участия жизни) на Земле и в Солнечной системе, что может давать ложноположительные результаты. Поэтому полагаться только на один газ бесполезно.

Авторы статьи — Тереза Фишер, Эстель Жанен и Сара Имари Уокер — утверждают, что нужны методы, чтобы определить, имеет ли газ биотическое или абиотическое происхождение. Они предлагают подход, основанный на анализе сетей химических реакций (Chemical Reaction Network, CRN).

CRN — это набор химических соединений, которые реагируют друг с другом и трансформируются. Анализ структуры такой сети позволяет понять её поведение и смоделировать изучаемые системы.

Такой подход может дать ответы на многие вопросы: о возможных формах жизни, производящих соединения; о процессах горения на поверхности или в атмосфере; о метаболизме организмов; и даже о полном отсутствии жизни или её кардинальном отличии от земной.

Примеры моделирования

Авторы смоделировали 30 000 атмосфер земного типа, разделив их на два набора данных:

1. Миры, подобные Земле архейской эры (2–4 млрд лет назад): атмосфера с малым содержанием кислорода, в основном метан и аммиак. Возможна жизнь в виде бактериальных колоний.
2. Миры, подобные современной Земле: азотно-кислородная атмосфера, богатая углеводородами от технологической деятельности. Команда моделировала такие миры с хлорфторуглеродами (CFC-12, которые выводятся из употребления на Земле) и без них.

Команда исследовала сетевые свойства атмосфер, чтобы изучить, например, производство метана как биомаркера. Метан может производиться жизнью (метаногенез) или быть результатом геологического процесса (серпентинизация). Поэтому он не является однозначным маркером жизни.

В статье команда заявляет: "Сетевой анализ также отличает атмосферы, подобные современной Земле, с CFC-12 от атмосфер без него. Используя байесовский анализ, мы демонстрируем, как статистика атмосферных сетей может обеспечить бо́льшую уверенность в исключении биологических объяснений по сравнению только со статистикой содержания газов... Наши результаты подтверждают, как сетевой теоретический подход позволяет различать гипотезы о биологических, абиотических и аномальных факторах в атмосфере и, что важно, позволяет исключить жизнь, какую мы знаем, как возможное объяснение".

Системный подход к поиску жизни

Единый системный подход зависит от надёжных и постоянных данных об экзопланетах. Его применение к изучению биосигнатурного газа (метана) и техносигнатурного газа (CFC-12) показывает, что анализ CRN может уловить изменения на системном уровне, указывающие на присутствие жизни. Эти формы жизни могут выделять один газ (как бактерии, выделявшие кислород на ранней Земле) или производить сложные химические смеси, более характерные для технологической цивилизации.

Анализ атмосферы через призму сетевого взаимодействия её химических веществ может дать информацию как об отдельных газах, так и о более сложных побочных продуктах. Этот подход будет особенно полезен при изучении миров, о биосфере или техносфере которых у нас недостаточно информации.

Анализ CRN поможет учёным предложить ряд возможностей, включая то, является ли биология более "земноподобной" или более "чужеродной", а также исключить аномальные сигналы в поиске обитаемых миров.