Прежде чем инопланетянин с большими глазами попросится домой, первый успех в поиске жизни за пределами Земли может оказаться куда прозаичнее. Подсказка может всплыть из горстки молекул в марсианской породе, крупицы льда с луны Юпитера или Сатурна, или из шлейфа, поднимающегося из океана, запечатанного под ледяной коркой. Учёные из Института Вейцмана предложили новый, на удивление простой способ уловить такие следы — и он опирается не на сложную химию, а на статистику.

Молекулярное разнообразие как отпечаток жизни

Десятилетиями исследователи искали биосигнатуры — химические или физические следы, которые работают как отпечатки пальцев жизни и помогают отличить живое от неживого. Одни методы смотрят на соотношение левых и правых молекул, другие — на изотопные отношения. Но толкование таких сигналов почти всегда требует понимания того, как образец образовался и менялся со временем, а этой информации, как правило, нет. Космический аппарат не может нести все приборы, которые хотели бы учёные, а внеземные образцы редко бывают чистыми или полными. Радиация меняет молекулы, геология имитирует биологию, органика деградирует, смешивается, загрязняется. И главная ловушка: «органический» не значит «живой». Аминокислоты и другие соединения возникают и в полностью небиологических процессах.

Новый метод, описанный в журнале Nature Astronomy, обходит эти ограничения. Вместо того чтобы разбирать отдельные молекулы, команда под руководством профессоров Итаи Халеви и Йохая Каспи из отделения наук о Земле и планетах Вейцмановского института предложила смотреть на статистические закономерности в группах молекул — их разброс и относительное обилие. Ключевая идея: жизнь перестраивает химию под свои функции. Иногда это расширяет разнообразие, иногда сужает, но всегда оставляет узнаваемый узор.

«Главная ценность нашего подхода в том, что он даёт простой способ отличить биологическую органику от просто органической грязи, сформировавшейся в ранней Солнечной системе», — говорит Халеви.

От экологии к астробиологии

Руководил исследованием доктор Гидеон Йоффе, постдок в лаборатории Каспи. Он соединил инструменты из статистики, экологии и планетологии. В команду также вошли доктор Фабиан Кленнер из Калифорнийского университета в Риверсайде и доктор Барак Собер из Еврейского университета в Иерусалиме.

Йоффе адаптировал метод, который изначально придумали экологи для оценки разнообразия видов животных в местах обитания. Его бэкграунд — статистика и наука о данных, и он перенёс этот подход в астробиологию. «Многие современные методы поиска внеземной жизни ограничены, потому что требуют либо сложной обработки органики, либо узкоспециализированных аналитических методов — работы, которую пока невозможно выполнять в открытом космосе», — объясняет он.

Чтобы проверить идею, команда проанализировала более сотни органических и неорганических образцов: породы с Земли возрастом три миллиарда лет, скорлупу яиц динозавров, окаменевшие перья динозавров в янтаре, а также материал, собранный в космосе с астероидов Рюгу и Бенну.

Почему жизнь не подчиняется случайности

Исследование началось с аминокислот — молекулярных кирпичиков белков. Аминокислоты могут возникать и без жизни, при столкновениях более простых молекул. Но в космосе такие столкновения редки, поэтому вероятность собрать сложные аминокислоты таким путём ограничена. В неживой химии доминируют простые аминокислоты: они образуются легче, а крупные и сложные встречаются всё реже.

Жизнь ведёт себя иначе. Живые системы выживают, производя молекулы, которые нужны им для функционирования, даже если эти молекулы энергетически «дороги». Вместо случайного набора, сформированного в основном случаем, биология оставляет узоры, в которых простые кирпичики не обязательно доминируют. Поэтому образцы живого вещества неизменно разнообразнее по молекулярному составу, чем их неживые аналоги. И эта закономерность работает не только для аминокислот, но и для жирных кислот — значит, сигнал разнообразия отражает фундаментальную биосинтетическую подпись. «Жизнь производит строительные блоки, которые ей нужны для функционирования», — резюмирует Халеви.

Миссия «Эврика» и лазер по льду

Метод родился в контексте предложенной израильской концепции миссии под названием Eureka. Каспи, Халеви, Йоффе и коллеги разрабатывают её вместе с аэрокосмической промышленностью Израиля. Цель — отправить небольшой космический аппарат к одной или двум ледяным лунам Солнечной системы, скорее всего к Европе, а возможно, и к Энцеладу. Под их замёрзшей корой скрываются огромные подлёдные океаны. «Эти подповерхностные океаны особенно интересны, потому что условия там могут допускать возникновение жизни», — говорит Каспи. Будущие миссии, возможно, смогут брать пробы из этих океанов, включая молекулы, произведённые вблизи гидротермальных систем на дне, похожих на земные.

Космическое подразделение Israel Aerospace Industries (IAI) участвует в планировании миссии и отвечает за проектирование аппарата. «Наш подход не требует навороченных аналитических приборов, — объясняет Каспи. — Его можно применить довольно просто любым методом, способным измерять относительное обилие разных молекул, например масс-спектрометрией».

Техника, запланированная для миссии, кому-то может показаться научной фантастикой: выстрелить лазером по инопланетному льду и дождаться, пока молекулы засветятся в ответ. Это свечение поможет обнаружить сложные аминокислоты и другие соединения, которые могут нести биологические сигнатуры.

Большое преимущество метода в том, что он работает даже с образцами со сложной историей — материалом, изменённым теплом, радиацией, временем или льдом. «Космос — суровая среда, особенно окрестности Юпитера с его мощным магнитным полем, где энергичные частицы непрерывно бомбардируют поверхности лун», — поясняет Йоффе.

Не только ледяные луны

Подход не ограничивается ледяными лунами. Его можно применять к метеоритам, астероидному веществу и образцам древних марсианских пород. По сути, работа объединяет многие ветви поиска инопланетной жизни: телескопы, читающие звёздный свет сквозь далёкие атмосферы, аппараты, посещающие астероиды и кометы, метеориты, попадающие в земные лаборатории, и роверы, бурящие древний камень.

Открытие внеземной жизни, вероятно, переопределит смысл «первого контакта». Возможно, не будет ни голоса, ни приветствия со звёзд — по крайней мере, поначалу. Встреча может начаться тихо, внутри набора данных, через узоры в скоплении молекул. Но от этого она не станет менее драматичной.

«С детства меня завораживало всё, что связано с поиском жизни за пределами Земли, — признаётся Йоффе. — Для меня такое обнаружение стало бы одним из самых захватывающих научных открытий в истории».

Кстати, тема поиска жизни на Марсе не нова: ещё в 1976 году эксперимент «Викинга» дал противоречивый сигнал, который до сих пор разделяет учёных — одни видят в нём намёк на жизнь, другие — неизвестную химию. Подробнее об этом мы писали в статье «Эксперимент „Викинга“ 1976 года дал сигнал жизни, но учёные спорят до сих пор».

А если жизнь способна существовать в самых неожиданных местах — например, на глубине 3,6 км в золотой шахте, как черви-нематоды, — то почему бы ей не прятаться в подлёдных океанах Европы? Об этой находке читайте в материале «Черви-нематоды найдены на глубине 3,6 км — и это новый вид».

Исследование профессора Итаи Халеви поддержано премией Андре Делоро за научные исследования. Работа профессора Йохая Каспи поддержана Центром планетарных наук имени Хелен Киммел и Институтом искусственного интеллекта семьи Кнелл.