Кислород, фосфор и азот: почему ученые ищут внеземную жизнь в «химической зоне Златовласки»

Поиск внеземной жизни долгое время сводился к обнаружению воды и кислорода в атмосферах экзопланет. Однако новое исследование показывает, что это может быть ошибочным путем. Ключом к обитаемости является не столько то, что находится в атмосфере, сколько «кислородный баланс» планеты на момент ее формирования, который определил, остались ли в ее коре и мантии жизненно необходимые фосфор и азот. Ученые вводят новое понятие — «химическая зона Златовласки» — и утверждают, что именно там следует искать братьев по разуму.

На протяжении десятилетий астрономы, участвующие в проектах по поиску внеземного разума (SETI), руководствовались простой логикой: ищите воду. Жидкая вода — универсальный растворитель и основа биохимии, известной нам. Следующим признаком жизни считался кислород в атмосфере, особенно в больших количествах, так как он может быть продуктом фотосинтеза. Телескопы нового поколения, такие как «Джеймс Уэбб», были настроены на поиск именно этих сигнатур в атмосферах далеких миров. Однако группа ученых из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) во главе с доктором Крейгом Уолтоном бросает вызов этой парадигме. Их исследование, опубликованное в ведущем научном журнале, свидетельствует: изобилие воды и кислорода может быть не благословением, а приговором для потенциальной жизни. Настоящий секрет обитаемости кроется глубже — в тех химических элементах, которые остались доступными в мантии планеты после ее бурного рождения.

Почему вода и кислород — еще не гарантия жизни

Традиционный подход к поиску обитаемых планет фокусировался на так называемой «обитаемой зоне» (или зоне Златовласки) звезды — области, где температура позволяет воде существовать в жидком виде на поверхности планеты. Однако этот подход учитывает лишь физические условия, игнорируя химический фундамент.

«Вы можете иметь планету, которая выглядит прекрасно: с океанами и даже сушей. Но жизни на ней нет и никогда не будет, потому что другие необходимые элементы попросту почти отсутствуют», — объясняет доктор Крейг Уолтон.

Речь идет о двух элементах, без которых земная жизнь невозможна: фосфоре и азоте. Фосфор — ключевой компонент молекул ДНК и РНК, несущих генетический код всех живых организмов. Он также входит в состав АТФ — основной энергетической «валюты» клетки. Азот является фундаментальной частью аминокислот, из которых строятся белки, а также нуклеиновых кислот. Без этих «кирпичиков» строительство жизни просто не начнется.

Парадокс в том, что сами по себе фосфор и азот во Вселенной не являются сверхредкими. Проблема в их доступности для биологических процессов. И здесь решающую роль играет тот самый «кислородный баланс», о котором говорят ученые, — общее количество кислорода в протопланетном диске на момент формирования планеты.

Химическая зона Златовласки: рождение в нужный момент

В начале жизни любой каменистой планеты она представляет собой раскаленный океан магмы. По мере остывания происходит гравитационная дифференциация: тяжелые элементы (вроде железа) опускаются к центру, формируя ядро, а более легкие образуют мантию и кору. Судьба фосфора и азота в этом процессе напрямую зависит от количества доступного кислорода.

Слишком много кислорода: Фосфор образует стабильные соединения с кислородом (фосфаты), которые «запираются» в глубинах мантии, становясь недоступными для формирующейся на поверхности биосферы. Азот же, наоборот, в окислительных условиях образует летучие соединения и улетучивается в атмосферу, откуда может быть безвозвратно потерян в космос под воздействием звездного ветра.

• Слишком мало кислорода: В восстановительной среде фосфор предпочитает связываться с железом и другими металлами. Эти тяжелые соединения тонут в магме и уносят фосфор в ядро планеты, навсегда исключая его из круговорота веществ. Азот также может образовывать нелетучие соединения и оставаться в глубинах.

Таким образом, существует чрезвычайно узкое окно возможностей — химическая зона Златовласки, — где количество кислорода при формировании планеты является «в самый раз». Только в этой зоне и фосфор, и азот в достаточных количествах остаются в мантии, откуда вулканическая и тектоническая активность могут впоследствии доставлять их на поверхность, создавая основу для возникновения жизни.

Расчеты, проведенные командой доктора Уолтона с помощью численного моделирования, показывают, что Земле невероятно повезло оказаться именно в этой узкой химической зоне. Это не только объясняет наше существование, но и накладывает жесткие ограничения на количество потенциально обитаемых миров в Галактике. По оценкам ученых, планет в химической зоне Златовласки может быть в 10-100 раз меньше, чем считалось ранее, если ориентироваться только на наличие жидкой воды.

Марс и Венера: уроки нашей Солнечной системы

Новая теория прекрасно объясняет, почему в нашей собственной Солнечной системе, несмотря на наличие нескольких тел в классической «обитаемой зоне», жизнь, похоже, есть только на Земле.

Сравнительный анализ химической обитаемости Земли, Марса и Венеры в рамках новой теории «кислородного баланса».

Марс с точки зрения новой модели находится на границе химической зоны Златовласки, но, вероятно, все же за ее пределами. Его формирование привело к тому, что фосфора на поверхности в принципе достаточно (возможно, даже больше, чем на Земле), что теоретически могло бы облегчить сельское хозяйство для будущих колонистов. Однако критически низким является уровень доступного азота. Почва Марса также содержит большое количество перхлоратов — едких солей, отравляющих грунт. «Элону Маску придется придумать остроумный способ изменить состав [почвы], чтобы выращивать там пищу», — отмечает доктор Уолтон.

Венера, скорее всего, сформировалась в условиях с иным кислородным балансом. Даже если отбросить ее адские температурные условия и кислотные облака, химический состав ее недр, вероятно, также не благоприятствовал накоплению необходимых для жизни питательных веществ в доступной форме.

Этот анализ показывает, что признаки жизни на экзопланетах нужно искать не только и не столько по атмосферному кислороду. Его избыток в атмосфере может как раз быть индикатором того, что в процессе формирования планета потеряла свой азот, а фосфор оказался заблокирован в глубинах.

Как искать миры в химической зоне Златовласки?

Непосредственно измерить содержание фосфора и азота в мантии экзопланеты, находящейся в десятках световых лет от нас, — задача на грани фантастики. Однако новый подход предлагает косвенный, но мощный метод.

Планеты формируются из того же протопланетного диска, что и их звезда. Следовательно, химический состав звезды является надежным отражением состава материала, из которого родились ее планеты. Современные спектрографы могут с высокой точностью определять содержание элементов в атмосферах далеких звезд.

Таким образом, поиск обитаемых планет должен начинаться с поиска звезд, похожих на наше Солнце по содержанию ключевых элементов, в первую очередь — кислорода, железа и кремния. Звездные системы, сформировавшиеся из облака с «правильным» химическим составом, становятся первоочередными целями для последующего изучения их планет на предмет наличия воды и биосигнатур. Этот подход кардинально меняет приоритеты в астробиологии.

Будущее человечества: выбор правильного нового дома

Теория химической зоны Златовласки имеет глубокие практические последствия не только для поиска инопланетной жизни, но и для будущего космической экспансии человечества.

«Было бы очень разочаровывать преодолеть весь путь к такой планете для ее колонизации и обнаружить, что там нет фосфора для выращивания пищи. Нам лучше попытаться сначала проверить условия формирования планеты, подобно тому, как мы убеждаемся, что наш ужин был приготовлен правильно, прежде чем приступить к еде», — проводит аналогию доктор Уолтон.

Это означает, что оценка потенциала для terraforming (терраформирования) любой планеты должна включать глубокий анализ ее геохимии. Можно растопить ледники Марса, создать искусственную атмосферу, но если в недрах планеты отсутствует необходимый баланс биогенных элементов, превратить ее в самодостаточный «второй дом» для человечества будет невозможно. Мы окажемся в вечной зависимости от поставок ключевых ресурсов с Земли.

Новая формула Дрейка и космическое одиночество

Новая теория вносит существенную поправку в знаменитое уравнение Дрейка, которое оценивает количество разумных цивилизаций в Галактике. Фактор «числа планет, пригодных для жизни» (ne), по-видимому, должен быть значительно снижен. Это не обязательно означает, что мы одиноки, но шансы на обнаружение другой цивилизации в радиусе нескольких сотен световых лет от нас падают.

С другой стороны, это делает нашу Землю еще более уникальной и хрупкой. Понимание того, что обитаемые миры — это не просто те, где есть вода, а те, которые прошли через невероятно тонко настроенный химический процесс формирования, заставляет с еще большим трепетом относиться к сохранению нашей собственной планеты. Глубокие связи между геологией, химией и биологией, которые обеспечили здесь жизнь, могут оказаться исключительно редкими во Вселенной.

Охота за внеземной жизнью вступает в новую эру. Вместо того чтобы просто сканировать небеса в поисках следов воды, ученые теперь будут анализировать спектры звезд, чтобы найти тех «химических родственников» нашего Солнца, чьи планетные семьи могли получить тот же звездный стартовый набор, что и мы. И именно в этих системах, возможно, и стоит ждать первого звонка от соседей по Галактике.