Здесь есть один забавный побочный эффект: в наше время сложный спектроскоп может поставляться с собственным встроенным компьютером и стоить много тысяч (и даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен построили первый спектроскоп из пары старых подзорных труб и (хотите — верьте, хотите — нет) коробки из-под сигар.
Лишь в начале 20-го века учёные, создавшие дисциплину под названием квантовая механика, выяснили, наконец, каким образом атомы образуют спектры. Вот упрощённая картина атома, которую они разработали: в отличие от планет в солнечной системе, электроны в атоме не могут иметь орбиты в произвольных местах. Их можно найти только на определённых расстояниях от ядра — на так называемых энергетических уровнях. Каждый из них обладает определённой энергией, поэтому, когда электрон перемещается между ними, атом будет излучать или поглощать определённое количество излучения, соответствующее разнице. Он испускает излучение, если электрон приближается к ядру, и поглощает излучение, если электрон удаляется от ядра. Поскольку атомы разных химических элементов обладают уникальным расположением энергетических уровней, каждый химический элемент поглощает и испускает излучение с уникальным набором частот — вот, что создаёт спектр.
Однако спектры излучают не только атомы. Любая система, в которой могут присутствовать разные энергетические уровни, может генерировать характерный «отпечаток». Например, сложные молекулы могут вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждый из этих режимов порождает характерный спектр. Поэтому можно подумать, что наука спектроскопия даёт нам идеальный способ поиска молекул, производимых живыми системами на далёких экзопланетах. Достаточно просто найти характерные следы биологических молекул в спектрах экзопланет, и мы получим неопровержимые доказательства существования жизни.
Давайте же взглянем на Землю: на химический состав её атмосферы оказало сильное влияние присутствие жизни. Вообще, среди всех многих сотен известных атмосферных газов лишь очень немногие не подвержены влиянию присутствия живых существ. Гелий, например, образовался в результате Большого взрыва и составляет около 1 процента атмосферы. Аргон присутствует в ещё меньших количествах; он образуется в результате радиоактивного распада калия глубоко в недрах Земли. Но в остальном живая природа образует, разрушает или видоизменяет практически каждый из газов атмосферы.
Кислород, которым мы дышим, образовался в результате фотосинтеза, в ходе которого растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в углеводы. Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет биологический молекулярный кислород — два атома кислорода, тесно связанных друг с другом, — на отдельные атомы кислорода. Затем они вступают в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона (O3). При дыхании и разложении организмов образуется углекислый газ — в противоположность процессу фотосинтеза. Другие газы, вроде сероводорода, выделяют сине-зелёные водоросли. А некоторые виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. Жизнь «проявляет» себя в составе земной атмосферы. Мы называем эти произведённые биологическим путём химические вещества биомаркерами или биосигнатурами жизни на Земле.
Можно подумать, что было бы легко просто найти такие химические вещества в атмосферах экзопланет с использованием техники спектроскопии, чтобы установить, есть ли там жизнь. Но при таком подходе мы сталкиваемся с тремя сложностями.
Первая сложность заключается в том, что экзопланеты светят чрезвычайно слабо для нашего зрения. Мы замечаем их по свету, который они отражают от центральных звёзд своих систем. На расстояниях, огромных даже в случае ближайших к Земле звёзд, обнаружить свет, отражённый планетой, невероятно сложно. Однако в последние несколько лет астрономы пользовались высокочувствительными детекторами, а также кое-какими довольно хитроумными стратегиями, для изучения света, отражаемого множеством экзопланет. Самая успешная стратегия состоит в том, чтобы исследовать свет звезды, когда планета находится позади неё, а затем исследовать их смешанный свет, когда экзопланета находится перед звездой. Вычитание первого из второго даёт совокупность частот излучения экзопланеты, которую мы называем её спектром.
Вторая сложность заключается в определении характерных следов конкретных молекул, которые находятся в спектре экзопланеты. Как отмечалось выше, каждый химический элемент и молекула обладают уникальным световым «отпечатком». Но чаще всего уникальная характеристика света, которая идентифицирует биомаркер, составляет лишь очень небольшую часть общего спектра экзопланеты. Это означает, что нам нужно собрать много света от экзопланеты, для чего обычно требуются большие телескопы.
Третья сложность — самая значительная. Как нам решить, какие биомаркеры действительно доказывают наличие жизни на экзопланете? Как уже обсуждалось выше, жизнь производит или изменяет большинство газов в атмосфере Земли, поэтому поиск таких же газов в атмосферах планет вокруг далеких звёзд, чтобы определить, какие из них демонстрируют наличие жизни, показался бы простым делом. Но, как обычно, всё не так просто.
Проблема состоит в том, что небиологические процессы могут привести к образованию практически любой молекулы, которую мы считаем биомаркером в атмосфере Земли. Возьмём, например, кислород. Ультрафиолетовый свет Солнца разрушает молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут рекомбинировать, образуя молекулярный кислород. Таким образом, хотя значительная часть молекулярного кислорода образуется в результате фотосинтеза, не весь он образуется таким способом. Или взглянем на метан. Как мы уже отмечали выше, его можно получить различными способами, и многие из них не связаны с биологией. То же самое можно сказать и о сероводороде (который обладает характерным запахом тухлого яйца), который вырабатывается серовосстанавливающими бактериями, процветающими в экстремальных условиях на Земле — но также в результате вулканических процессов. Мы могли бы продолжить, но суть ясна: практически для каждой молекулы, которую мы могли бы идентифицировать как потенциальный биомаркер жизни на экзопланете, существует небиологический механизм формирования.
Некоторые учёные подумывают об использовании комбинаций молекул, полученных биологическим путём, для установления присутствия жизни. Возьмём в качестве примера кислород и метан. На Земле концентрация метана нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. И всё же он явно присутствует, потому что биология быстро производит его параллельно кислороду. Если бы мы отключили всю биологию на Земле, наша атмосфера потеряла бы свой метан всего за несколько десятков лет. Кислород сохранялся бы примерно несколько тысяч лет, если бы вся жизнь прекратилась, но он тоже в конечном итоге исчез бы, поскольку включился бы в состав минералов. Таким образом, присутствие и кислорода, и метана вместе может служить биомаркером, даже если присутствие любого из этих газов, взятого отдельно, таковым не будет.
Поиск биомаркеров на экзопланетах, безусловно, значительно сложнее, чем просто поиск газов, образующихся в результате биологических процессов на Земле. В настоящее время это область исследований и дискуссий в сообществе учёных, изучающих экзопланеты. На данный момент суть проблемы, по-видимому, заключается в том, что мы не в состоянии выдвинуть неоспоримое утверждение об обнаружении жизни, взглянув на спектры отдельных атомов и молекул — по крайней мере, тех атомов и молекул, которые мы можем наблюдать в спектрах экзопланет. По-видимому, поиск комбинаций газов, имеющих биологическое происхождение, является наилучшим способом достижения успеха в решении этого вопроса.
Следующий шаг
На данный момент мы установили, что естественный отбор (дарвиновская эволюция) должен действовать, придавая облик жизни практически на любой из открытых нами экзопланет, и мы увидели, как трудно будет найти неопровержимые доказательства того, что такая жизнь действительно присутствует там. Однако давайте пока отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могут работать в невероятном разнообразии природных условий, которые, как мы уже знаем, существуют на экзопланетах. Это то, что мы называем исследованием воображаемой жизни.
