Астробиология
Астробиоло́гия (от астро... и биология), научная дисциплина, изучающая происхождение и эволюцию жизни во Вселенной. Астробиология основывается на достижениях биологии, химии, астрономии и космонавтики. Основные задачи астробиологии – выяснение обстоятельств зарождения и путей развития жизни на Земле как космическом теле, определение граничных условий органической жизни, поиск жизни на планетах Солнечной системы и планетах иных звёзд, исследование химической (предбиологической) эволюции органического вещества. Одним из способов решить некоторые проблемы астробиологии представляется поиск внеземных цивилизаций.
Несколько десятилетий наряду с термином «астробиология» использовался термин «экзобиология», предложенный в 1960 г. Дж. Ледербергом (Lederberg. 1960). В русскоязычной литературе под экзобиологией обычно понимали экспериментальный поиск жизни в пределах Солнечной системы, а в англоязычной литературе это понятие охватывало также поиск жизни за пределами Солнечной системы, в частности – на экзопланетах. Ныне термин «экзобиология» практически вышел из употребления. В научной литературе изредка употребляется также термин «биоастрономия» как синоним поиска внеземной жизни.
Наиболее богатый экспериментальный материал в астробиологии получен в связи с исследованиями происхождения жизни на Земле. В начале 1920-х гг. А. И. Опарин выдвинул гипотезу о том, что в первичной бескислородной атмосфере Земли на поверхности планеты из простейших веществ могли формироваться сложные соединения, ставшие основой для развития жизни. Впервые это доказали опыты американского учёного С. Миллера, который в 1953 г. имитировал в лабораторной установке первичную атмосферу из водорода, метана, аммиака и паров воды. Подвергая эту смесь действию электрических разрядов, Миллер синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты. Однако в подобных экспериментах не удалось продвинуться до синтеза самовоспроизводящихся структур. Осталось много нерешённых проблем, связанных с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Но большинство биологов считают, что таким путём постепенно могла образоваться биосфера Земли. Появление фотосинтезирующих бактерий изменило состав земной атмосферы: она стала приобретать окислительный характер. Присутствие кислорода в составе атмосферы планеты является достаточным (хотя и не обязательным) признаком наличия на ней жизни.
Наряду с теорией зарождения жизни на Земле обсуждается и гипотеза панспермии – переноса жизни с одних небесных тел на другие. Основания для неё даёт обнаружение органических соединений в межзвёздной среде, в ядрах комет и метеоритах. Особенно интересны древнейшие метеориты – углистые хондриты, сформировавшиеся 4,6–4,4 млрд лет назад. В их веществе обнаружены сложные органические соединения вплоть до основных элементов ДНК – пуриновых оснований – аденина и гуанина. Это свидетельствует о том, что образование таких веществ может происходить ещё на допланетной стадии в первичной газово-пылевой туманности; в дальнейшем эти органические вещества могут входить в состав образующихся планет и при благоприятных условиях определять развитие на них жизни. Вопрос о переносе живых организмов с планеты на планету пока не решён. На Земле найдены метеориты, прилетевшие, по-видимому, с Марса (SNC-метеориты: шерготтиты, наклиты, шассиньиты). Есть сообщения об обнаружении в «марсианском» метеорите ALH-84001, а также в некоторых углистых хондритах (Оргей, Ефремовка, Альенде, Мурчисон и др.) окаменелостей, напоминающих примитивные формы жизни. Эти биоморфные образования микро- и нанометрового размеров похожи на минерализованные цианобактерии, присутствующие в древних толщах Земли, но полной уверенности в их идентичности нет.
Современные условия на большинстве объектов Солнечной системы исключают возможность наличия жизни. Наиболее привлекательными для её поиска остаются Марс, Европа, Энцелад и Титан. Прямые поиски жизни, до сих пор проводившиеся лишь на Луне и Марсе, не дали положительных результатов, но исследования Марса в начале 21 в., выявившие наличие воды, оставляют некоторую надежду. Попытки обнаружить жизнь на других космических телах с помощью автоматических аппаратов основываются на предположении, что она имеет ту же углеродную основу, что и на Земле. Возможность жизни на другой основе (аммиак, кремний) считается маловероятной.
При исследовании организмов, обитающих в экстремальных условиях (в вечной мерзлоте, геотермальных источниках, льдах Антарктиды, глубокозалегающих породах), уточняется диапазон условий, пригодных для органической жизни, которая демонстрирует широкий спектр возможностей и механизмов приспособления. Особо экстремальные условия внешней среды выдерживают некоторые микроорганизмы. Одни из них способны жить в горячей (до 115 °C) воде, другие приспособились к низкой температуре (до –20 °C); множество бактерий размножаются в очень кислых или щелочных средах, в концентрированных растворах солей, в присутствии большого количества тяжёлых металлов и при очень высокой радиации. Некоторые микроорганизмы активно развиваются при низком давлении в верхних слоях атмосферы (до высоты 85 км), другие – при давлении воды в 1000 атмосфер на дне океанских впадин. Практически полное высыхание, нагревание до температуры 240 °C и охлаждение до 0,01 К (–273 °C) выдерживают споры и цисты микроорганизмов – бактерий, водорослей, грибов.
Несмотря на то что некоторые современные биологические виды способны сохранять жизнь в таком широком диапазоне условий, нужно иметь в виду: устойчивость жизни – это результат её длительной эволюции и высокой специализации видов. В истории земной биосферы известно множество эпизодов массового вымирания животных и растений как в результате конкурентной борьбы, так и в ответ на изменение внешних условий. Особенно чувствительны земные формы жизни к наличию жидкой воды; микроорганизмы размножаются лишь в тонкой плёнке воды на поверхности кристаллов. Даже на Земле жизнь существует не везде: например, антарктические «сухие долины» практически стерильны.
Существенно расширились представления о границах жизни в конце 2010 г.: астробиолог NASA Ф. Вулф-Саймон и её коллеги сообщили об открытии жизни на основе мышьяка в виде бактерии (штамм GFAJ-1). В природе эти бактерии живут в неблагоприятных условиях окружающей среды вблизи озера Моно в штате Калифорния (США), вода которого отличается высоким содержанием щелочей и солей, в частности высокой концентрацией солей мышьяка. Впервые на Земле был обнаружен микроорганизм, способный жить и размножаться, используя токсичный для других форм жизни мышьяк. Во всех клеточных компонентах этой бактерии мышьяк занимает место фосфора в органических молекулах.
Расширение возможных границ жизни особенно интересно в связи с открытием в середине 1990-х гг. первых внесолнечных планет (экзопланет). В основном это непригодные для жизни планеты-гиганты, хотя благоприятные условия не исключены на их спутниках. Но к середине 2020 г. среди 4300 надёжно обнаруженных экзопланет найдены уже десятки планет, подобных Земле не только по массе и размеру, но и по температуре на поверхности.
Астрофизические исследования позволяют прогнозировать параметры зон возможной жизни вокруг звёзд. Необходимым для развития жизни считается наличие звезды умеренной массы с длительным периодом спокойной эволюции, а также планеты с полупрозрачной, но достаточно плотной атмосферой. При этом планета должна двигаться по орбите, близкой к круговой, в определённом диапазоне расстояний от звезды, гарантирующем наличие на поверхности планеты жидкой воды (температура от 0 до 100 °С). Имеют значение возраст звезды, определяющий её химический состав, а также орбита звезды в Галактике, определяющая частоту пересечения ею спиральных рукавов, где условия для жизни считаются не столь благоприятными из-за повышенной плотности зон звездообразования и связанной с этим высокой частоты вспышек сверхновых. Так выявляются наиболее перспективные места для поиска внеземной жизни.
Жизнь как термодинамический процесс требует для своего поддержания неравновесных условий. На простейшем примере паровой машины можно легко понять, что при равных температурах нагревателя и холодильника машина не будет работать. На более сложном уровне это верно и для живого организма. Источником энергии для земной биосферы служит солнечный свет, излучённый поверхностью звезды при температуре около 5800 °С, а играющая роль «холодильника» земная атмосфера имеет среднюю температуру 15 °С. Чтобы на поверхности планеты поддерживались неравновесные условия, планете необходимо иметь достаточно прозрачную атмосферу, иначе – даже при благоприятной температуре у поверхности планеты – условия там будут как в термостате: вещество и излучение будут иметь одинаковую температуру. Поэтому планеты земного типа с их полупрозрачными атмосферами более благоприятны для жизни, чем планеты-гиганты.
Открытие экзопланет и начало второго этапа исследований Марса автоматическими зондами стимулировали в начале 21 в. появление исследовательских центров по астробиологии в США – NASA Astrobiology Institute (NAI), во Франции – Groupement de Recherche en Exobiologie (GDR Exobio), в Великобритании – United Kingdom Astrobiology Forum (UKAF), в Австралии – Australian Centre for Astrobiology (ACA), в Испании – Centro de Astrobiología (CAB) и в других странах. Их работу координируют European Astrobiology Network Association (EANA), а также International Astrobiology Circle (IAC).
В рамках Международного астрономического союза (МАС) с 1982 г. действовала Комиссия 51 «Биоастрономия: поиск внеземной жизни», переименованная в 2006 г. в Комиссию 51 «Биоастрономия». С 2015 г. в МАС создано отделение «Планетные системы и астробиология», включающее в себя комиссию F3 «Астробиология». В 2010 г. в Российской академии наук организован Научный совет по астробиологии. Всё это говорит о том, что астробиология находится на этапе бурного роста.