Войти
A биосигнатура (иногда называемая химическим ископаемым или молекулярным ископаемым ) является любым веществом - например, элемент, изотоп или молекула - или явление, которое предоставляет научное свидетельство прошлой или настоящей жизни. Поддающиеся измерению атрибуты жизни включают ее сложные физические или химические структуры и использование свободной энергии, а также производство биомассы и отходов. Биосигнатура может служить доказательством существования живых организмов за пределами Земли и может быть прямо или косвенно обнаружена путем поиска их уникальных побочных продуктов.
В целом, биосигнатуры можно разделить на десять широких категорий:
Определение того, стоит ли исследовать потенциальную биосигнатуру, является в корне сложным процессом. Ученые должны рассмотреть все возможные альтернативные объяснения, прежде чем прийти к выводу, что что-то является истинной биосигнатурой. Это включает в себя изучение мельчайших деталей, которые делают другие планеты уникальными, и способность понять, когда происходит отклонение от ожидаемых небиологических процессов, существующих на планете. В случае планеты с жизнью, возможно, эти различия могут быть крайне малы или вообще отсутствовать, что усложняет обнаружение биосигнатуры. Годы научных исследований привели к появлению трех критериев, которым должна соответствовать потенциальная биосигнатура, чтобы считаться жизнеспособной для дальнейших исследований: надежность, выживаемость и обнаруживаемость.
Ложноположительные механизмы для кислорода в различных сценариях планет. Молекулы в каждом большом прямоугольнике представляют собой основные составляющие спектра атмосферы планеты. Молекулы, обведенные желтым кружком, представляют собой молекулы, которые помогут подтвердить ложноположительную биосигнатуру, если они будут обнаружены. Кроме того, молекулы, перечеркнутые красным, помогут подтвердить ложноположительную биосигнатуру, если они не будут обнаружены. Рисунок адаптирован из Victoria Meadows '2018 кислород как исследование биосигнатуры. Биосигнатура должна иметь возможность доминировать над всеми другими процессами, которые могут производить аналогичные физические, спектральные и химические функции. При исследовании потенциальной биосигнатуры ученые должны внимательно рассмотреть все другие возможные источники рассматриваемой биосигнатуры. Известно, что существует множество форм жизни, имитирующих геохимические реакции. Фактически, одна из теорий о происхождении жизни предполагает, что молекулы выясняют, как катализировать геохимические реакции, чтобы использовать выделяемую ими энергию. Это одни из самых ранних известных метаболизмов (см. метаногенез ). В таком случае ученые могли бы искать нарушение равновесия в геохимическом цикле, которое указывало бы на то, что реакция происходит более или менее часто, чем следовало бы. Такое нарушение равновесия может быть истолковано как признак жизни.
Биосигнатура должна существовать достаточно долго, чтобы зонд, телескоп или человек могли иметь возможность обнаружить это. Следствием использования биологическим организмом метаболических реакций для получения энергии является производство метаболических отходов. Кроме того, структура организма может быть сохранена как окаменелость, и мы знаем, что некоторым окаменелостям на Земле 3,5 миллиарда лет. Эти побочные продукты могут быть отличными биосигнатурами, поскольку они предоставляют прямые доказательства жизни. Однако, чтобы быть жизнеспособной биосигнатурой, побочный продукт должен впоследствии оставаться нетронутым, чтобы ученые могли его обнаружить.
Для того, чтобы биосигнатура имела значение в контексте научных исследований, она должна быть обнаружена с помощью доступных в настоящее время технологий. Это кажется очевидным утверждением, однако существует множество сценариев, в которых жизнь может присутствовать на планете, но оставаться необнаружимой из-за ограничений, вызванных деятельностью человека.
Каждая возможная биосигнатура связана со своим собственным набором уникальных ложноположительных механизмов или небиологических процессов, которые могут имитировать обнаруживаемый признак биосигнатуры. Важным примером этого является использование кислорода в качестве биосигнатуры. На Земле большая часть жизни сосредоточена вокруг кислорода. Это побочный продукт фотосинтеза, и впоследствии он используется другими формами жизни для дыхания. Кислород также легко обнаруживается в спектрах с множеством полос в относительно широком диапазоне длин волн, поэтому он является очень хорошей биосигнатурой. Однако найти только кислород в атмосфере планеты недостаточно для подтверждения биосигнатуры из-за связанных с ней ложноположительных механизмов. Одна из возможностей состоит в том, что кислород может абиотически накапливаться посредством фотолиза, если имеется низкий запас неконденсируемых газов или если он теряет много воды. Обнаружение и различение биосигнатуры от ее потенциальных ложноположительных механизмов - одна из самых сложных частей тестирования на жизнеспособность, потому что она полагается на человеческую изобретательность, чтобы сломать абиотически-биологическое вырождение, если природа позволяет.
В отличие от ложных срабатываний, ложноотрицательные биосигнатуры возникают в сценарии, когда жизнь может присутствовать на другой планете, но на этой планете происходят некоторые процессы, которые сделать потенциальные биосигнатуры необнаруживаемыми. Это постоянная проблема и область исследований в рамках подготовки будущих телескопов, которые будут способны наблюдать экзопланетные атмосферы.
Есть много способов, которыми люди могут ограничить жизнеспособность потенциальной биосигнатуры. Разрешение телескопа становится важным при проверке определенных механизмов ложных срабатываний, и многие современные телескопы не имеют возможности наблюдать с разрешением, необходимым для исследования некоторых из них. Кроме того, над зондами и телескопами работают огромные коллективы ученых с различными интересами. В результате новые зонды и телескопы оснащены множеством инструментов, которые не подходят для уникальных входов каждого. Чтобы ученый другого типа мог обнаружить что-то, не связанное с биосигнатурой, возможно, придется пожертвовать способностью инструмента для поиска биосигнатур.
Электронный микрогр aph микрофоссилий из керна отложений, полученного в рамках Программы глубоководного бурения Древние записи на Земле дают возможность увидеть, какие геохимические сигнатуры производятся микробной жизнью и как эти сигнатуры сохраняются в течение геологического времени. В некоторых смежных дисциплинах, таких как геохимия, геобиология и геомикробиология, часто используются биосигнатуры, чтобы определить, присутствуют ли живые организмы в образце.. Эти возможные биосигнатуры включают: (a) микрофоссилий и строматолиты ; (b) молекулярные структуры (биомаркеры ) и изотопные составы углерода, азота и водорода в органическом веществе ; (c) множественные соотношения изотопов серы и кислорода в минералах; и (d) соотношения содержания и изотопный состав металлов, чувствительных к окислению-восстановлению (например, Fe, Mo, Cr и редкоземельные элементы).
Например, конкретные жирные кислоты, измеренные в образец может указать, какие типы бактерий и архей живут в этой среде. Другим примером являются длинноцепочечные жирные спирты с более чем 23 атомами, которые продуцируются планктонными бактериями. При использовании в этом смысле геохимики часто предпочитают термин биомаркер. Другим примером является присутствие липидов с прямой цепью в форме алканов, спиртов и жирных кислот с 20-36 атомов углерода в почвах или отложениях. Отложения торфа указывают на то, что они происходят из эпикутикулярного воска высших растений.
Жизненные процессы могут производить ряд биосигнатур, таких как нуклеиновые кислоты, липиды, белки, аминокислоты, кероген -подобный материал и различные морфологические особенности, обнаруживаемые в породах и отложениях. Микробы часто взаимодействуют с геохимическими процессами, оставляя в пласте породы элементы, указывающие на биосигнатуры. Например, поры бактериальных микрометров в карбонатных породах напоминают включения в проходящем свете, но имеют различный размер, форму и структуру (вихревые или дендритные) и распределены иначе, чем обычные флюидные включения. Потенциальная биосигнатура - это явление, которое могло быть создано жизнью, но для которого также возможно альтернативное абиотическое происхождение.
Некоторые исследователи предположили, что эти микроскопические структуры на марсианском метеорите ALH84001 могли быть окаменелыми бактериями. Другой возможной биосигнатурой может быть морфология, поскольку форма и размер некоторых предметов потенциально могут указывать на присутствие прошлой или настоящей жизни. Например, микроскопические кристаллы магнетита в марсианском метеорите ALH84001 являются одними из наиболее обсуждаемых из нескольких потенциальных биосигнатур в этом образце. Возможный биоминерал, изученный в марсианском метеорите ALH84001, включает предполагаемые микробные окаменелости, крошечные камнеподобные структуры, форма которых была потенциальной биосигнатурой, поскольку напоминала известные бактерии. Большинство ученых в конце концов пришли к выводу, что они слишком малы для окаменелостей клеток. Консенсус, который возник в результате этих обсуждений, и который теперь рассматривается как критическое требование, - это потребность в дополнительных доказательствах в дополнение к любым морфологическим данным, которые поддерживают такие экстраординарные утверждения. В настоящее время научный консенсус состоит в том, что «одна только морфология не может быть однозначно использована как инструмент для обнаружения примитивной жизни». Интерпретация морфологии общеизвестно субъективна, и ее использование само по себе привело к многочисленным ошибкам интерпретации.
Ни одно соединение не докажет, что когда-то существовала жизнь. Скорее, это будут отличительные узоры, присутствующие в любых органических соединениях, показывающие процесс отбора. Например, мембранные липиды, оставленные деградировавшими клетками, будут концентрированными, иметь ограниченный диапазон размеров и содержать четное количество атомов углерода. Точно так же жизнь использует только левые аминокислоты. Однако биосигнатуры не обязательно должны быть химическими, и их также можно предположить по характерной магнитной биосигнатуре.
На Марсе поверхностные окислители и УФ-излучение будут изменены или разрушены органические молекулы на поверхности или вблизи нее. Одна проблема, которая может добавить двусмысленности в такой поиск, заключается в том, что на протяжении всей марсианской истории на поверхность Марса, несомненно, падали дождевые дожди с богатыми органическими веществами хондритовыми метеоритами. В то же время сильные окислители в марсианской почве вместе с воздействием ионизирующего излучения могут изменить или разрушить молекулярные сигнатуры метеоритов или организмов. Альтернативный подход заключался бы в поиске концентраций погребенных кристаллических минералов, таких как глины и эвапориты, которые могут защитить органическое вещество от разрушительного воздействия ионизирующего излучения и сильные окислители. Поиск марсианских биосигнатур стал более перспективным в связи с открытием того факта, что поверхностная и приповерхностная водная среда существовала на Марсе в то же время, когда биологическое органическое вещество сохранялось в древних водных отложениях на Земле.
Атмосферные свойства экзопланет имеют особое значение, поскольку атмосферы представляют собой наиболее вероятные объекты наблюдений в ближайшем будущем, включая индикаторы обитаемости и биосигнатуры. За миллиарды лет жизненные процессы на планете приведут к образованию смеси химических веществ, в отличие от всего, что могло бы образоваться в обычном химическом равновесии. Например, большие количества кислорода и небольшие количества метана генерируются жизнью на Земле.
Цвет экзопланеты - или спектр отражения - также может использоваться в качестве биосигнатуры из-за эффекта пигментов, имеющих уникальное биологическое происхождение, таких как пигменты фототрофных и фотосинтетических форм жизни. Ученые используют Землю в качестве примера, если смотреть на нее издалека (см. Бледно-голубая точка ) в сравнении с мирами, наблюдаемыми за пределами нашей солнечной системы. Ультрафиолетовое излучение жизненных форм может также вызывать биофлуоресценцию в видимых длинах волн, которые могут быть обнаружены новым поколением космических обсерваторий, находящихся в стадии разработки.
Некоторые ученые сообщили о методах обнаружения водорода и метана в внеземные атмосферы. Индикаторы пригодности для проживания и биосигнатуры должны интерпретироваться в планетарном и экологическом контексте. Например, присутствие кислорода и метана вместе может указывать на крайнее термохимическое неравновесие, порожденное жизнью. Две из 14 000 предложенных атмосферных биосигнатур - это диметилсульфид и хлорметан (CH. 3Cl). Альтернативной биосигнатурой является комбинация метана и диоксида углерода.
Обнаружение фосфина в атмосфере Венеры исследуется как возможная биоподпись.
Метан (CH 4) на Марсе - потенциальные источники и поглотители. Присутствие метана в атмосфере Марса - это область продолжающихся исследований и весьма спорная тема. Из-за его тенденции к разрушению в атмосфере с помощью фотохимии присутствие избыточного метана на планете может указывать на то, что должен быть активный источник. Поскольку жизнь является самым сильным источником метана на Земле, наблюдение неравновесия в содержании метана на другой планете может быть жизнеспособной биосигнатурой.
С 2004 года было несколько обнаружений метана в атмосфере Марса различными организациями. инструментов на борту орбитальных аппаратов и наземных спускаемых аппаратов на поверхность Марса, а также в телескопы земного базирования. Эти миссии сообщили о значениях в диапазоне от 0,24-0,65 частей на миллиард по объему (ppbv) до 45 ± 10 ppbv
Однако недавние измерения с использованием бортовых приборов ACS и NOMAD Орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas ESA-Роскосмос не смог обнаружить метан в широком диапазоне широт и долгот в обоих полушариях Марса. Эти высокочувствительные инструменты смогли установить верхнюю границу общего содержания метана на уровне 0,05 p.p.b.v. Это необнаружение является серьезным противоречием тому, что ранее наблюдалось с помощью менее чувствительных приборов, и останется сильным аргументом в продолжающихся дебатах о присутствии метана в марсианской атмосфере.
Кроме того, современные фотохимические модели не могут объяснить присутствие метана в атмосфере Марса и его быстрые изменения в пространстве и времени. Пока нельзя объяснить ни его быстрое появление, ни исчезновение. Чтобы исключить биогенное происхождение метана, потребуется будущий зонд или спускаемый аппарат с масс-спектрометром , так как изотопные пропорции от углерода-12 до углерода-14. в метане может различать биогенное и небиогенное происхождение, аналогично использованию стандарта δ13C для распознавания биогенного метана на Земле.
Биогенный метан продукция является основным источником потока метана, поступающего с поверхности Земли. Метан имеет фотохимический сток в атмосфере, но будет накапливаться, если поток будет достаточно высоким. Если в атмосфере другой планеты обнаруживается метан, особенно со звездой-хозяином типа G или K, это можно интерпретировать как жизнеспособную биосигнатуру. Нарушение равновесия в содержании газовых частиц в атмосфере можно интерпретировать как биоподпись. На Земле жизнь сильно изменила атмосферу, что маловероятно для повторения каких-либо других процессов. Следовательно, отклонение от равновесия свидетельствует о наличии биосигнатуры. Например, содержание метана в атмосфере Земли на несколько порядков превышает равновесное значение из-за постоянного потока метана, который излучает жизнь на поверхности. В зависимости от звезды-хозяина, неравновесие в содержании метана на другой планете может указывать на биосигнатуру.
Поскольку единственная известная форма жизни - это жизнь на Земле, поиск биосигнатур находится под сильным влиянием продуктов, производимых жизнью на Земле. Тем не менее, жизнь, отличная от жизни на Земле, может по-прежнему производить биосигнатуры, которые могут быть обнаружены людьми, хотя об их конкретной биологии ничего не известно. Эта форма биосигнатуры называется «агностической биосигнатурой», потому что она не зависит от формы жизни, которая ее производит. Широко признано, что вся жизнь - независимо от того, насколько она отличается от жизни на Земле - нуждается в источнике энергии для процветания. Это должно включать какое-то химическое нарушение равновесия, которое можно использовать для метаболизма. Геологические процессы не зависят от жизни, и если ученые способны достаточно хорошо ограничить геологию на другой планете, то они знают, каким должно быть конкретное геологическое равновесие для этой планеты. Отклонение от геологического равновесия может быть истолковано как атмосферное неравновесие и как независимая биосигнатура.
Точно так же, как обнаружение биосигнатуры было бы невероятно важным открытием о планете, обнаружение доказательств отсутствия жизни может быть важным открытием и для планеты. Жизнь полагается на окислительно-восстановительный дисбаланс для преобразования имеющихся ресурсов в энергию. Доказательства того, что ничто на планете не пользуется преимуществом «бесплатного обеда» из-за наблюдаемого окислительно-восстановительного дисбаланса, называется антибиосигнатурой.
Марсианская атмосфера содержит большое количество фотохимически производит CO и H 2, которые являются восстанавливающими молекулами. В остальном атмосфера Марса в основном окислительна, что приводит к источнику неиспользованной энергии, которую жизнь могла бы использовать, если бы использовала метаболизм, совместимый с одной или обеими этими восстанавливающими молекулами. Поскольку эти молекулы можно наблюдать, ученые используют это как доказательство наличия антибиосигнатуры. Ученые использовали эту концепцию в качестве аргумента против жизни на Марсе.
Астробиологические исследования основаны на предпосылке, что биосигнатуры, обнаруженные в космосе, будут распознаваться как внеземные. жизнь. Полезность биосигнатуры определяется не только вероятностью ее создания, но и маловероятностью небиологических (абиотических) процессов, производящих ее. Чтобы сделать вывод о том, что доказательства существования внеземной формы жизни (прошлой или настоящей) были обнаружены, необходимо доказать, что возможная биосигнатура была произведена деятельностью или останками жизни. Как и в случае с большинством научных открытий, открытие биосигнатуры потребует создания доказательств до тех пор, пока не будет другого объяснения.
Возможные примеры биосигнатуры включают сложные органические молекулы или структуры, образование которых практически невозможно в отсутствие жизни:
Карл Саган с моделью посадочного модуля «Викинг» В ходе миссии «Викинг» на Марс в 1970-х годах были проведены первые эксперименты, которые были специально разработаны для поиска биосигнатур на другой планете. На каждом из двух спускаемых аппаратов Viking было проведено три эксперимента по обнаружению жизни, которые искали признаки метаболизма ; однако результаты были объявлены неубедительными.
Марсоход Curiosity из миссии Mars Science Laboratory с его марсоходом Curiosity. в настоящее время оценивает потенциальную прошлую и настоящую обитаемость марсианской среды и пытается обнаружить биосигнатуры на поверхности Марса. Что касается пакета полезной нагрузки прибора MSL, в окно обнаружения MSL входят следующие классы биосигнатур: морфология организмов (клетки, окаменелости тела, слепки), биоткани (включая микробные маты), диагностические органические молекулы, изотопные сигнатуры, свидетельства биоминерализации и биоальтерации, пространственные закономерности в химии и биогенные газы. Марсоход Curiosity нацелен на обнажения, чтобы максимально увеличить вероятность обнаружения «окаменелого» органического вещества, сохранившегося в осадочных отложениях.
ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) 2016 года - это марсианский орбитальный аппарат для связи и анализатор атмосферных газов. Он доставил спускаемый аппарат EDM Schiaparelli, а затем начал осваивать свою научную орбиту, чтобы нанести на карту источники метана на Марсе и других газов, и тем самым поможет выбрать место посадки. для марсохода ExoMars, который будет запущен в 2022 году. Основная цель миссии марсохода ExoMars - поиск биосигнатур на поверхности и под землей с использованием бура, способного собирать образцы с глубины до 2 метров ( 6,6 фута), вдали от разрушительного излучения, которое омывает поверхность.
Марсоход Mars 2020, запущенный в 2020 году, предназначен для исследования астробиологически соответствующая древняя среда на Марсе, исследовать его поверхность геологические процессы и историю, включая оценку его прошлой обитаемости, возможности прошлой жизни на Марсе. Марс и возможность сохранения биосигнатур в доступных геологических материалах. Кроме того, в нем будут храниться наиболее интересные образцы для возможной транспортировки на Землю в будущем.
Концепция посадочного модуля / самолета НАСА Dragonfly предлагается к запуску в 2025 году и будет искать доказательства биосигнатур на богатой органикой поверхности и атмосфере Титан, а также изучение его возможного пребиотика изначальный суп. Титан - самый большой спутник Сатурна. Широко распространено мнение, что у него есть большой подземный океан, состоящий из соленой воды. Кроме того, ученые полагают, что у Титана могут быть условия, необходимые для продвижения пребиотической химии, что делает его главным кандидатом на открытие биосигнатуры.
Europa Clipper НАСА Зонд Europa Clipper предназначен для полета к самой маленькой галилеевой луне Юпитера, Европе. Этот зонд, запуск которого запланирован на 2024 год, будет исследовать возможность обитаемости на Европе. Европа - один из лучших кандидатов на открытие биосигнатуры в нашей солнечной системе из-за научного консенсуса, что она сохраняет подповерхностный океан с объемом воды в два-три раза больше на Земле. Доказательства существования этого подземного океана включают:
Зонд Europa Clipper будет нести инструменты, которые помогут подтвердить наличие и состав подземного океана и толстого ледяного слоя. Кроме того, он нанесет на карту поверхность для изучения особенностей, которые могут указывать на тектоническую активность из-за подземного океана.
Изображение шлейфов воды и льда, исходящих с поверхности Энцелада. В будущих миссиях будут исследованы эти гейзеры, чтобы определить их состав и найти признаки жизни. Хотя нет никаких планов по поиску биосигнатур на шестом по величине спутнике Сатурна, Энцеладе, перспективы открытия биосигнатур достаточно захватывающие, чтобы оправдать несколько концепций миссии, которые могут быть профинансированы в будущем. Подобно спутнику Юпитера Европе, есть много свидетельств существования подповерхностного океана и на Энцеладе. Шлейфы водяного пара были впервые обнаружены в 2005 году миссией Cassini, и позже было установлено, что они содержат соль, а также органические соединения. В 2014 году с помощью гравиметрических измерений на Энцеладе было представлено больше доказательств, позволяющих сделать вывод о том, что на самом деле под ледяной поверхностью находится большой резервуар с водой. Концепции проекта миссии включают:
Все эти концептуальные миссии преследуют схожие научные цели: оценить пригодность Энцелада и поиск биосигнатур в соответствии со стратегической картой для исследования океанического мира Энцелада.
На расстоянии 4,2 световых лет (1,3 парсека, 40 триллионов км или 25 триллионов миль) от Земли, ближайшая потенциально обитаемая экзопланета - это Проксима Центавра b, которая была обнаружена в 2016 году. Это означает, что на то, чтобы добраться туда, потребуется более 18 100 лет, если бы судно могло постоянно двигаться со скоростью Юнона космический корабль (250 000 километров в час или 150 000 миль в час). Другими словами, в настоящее время невозможно отправить людей или даже зонды для поиска биосигнатур за пределами нашей солнечной системы. Учитывая этот факт, единственный способ искать биосигнатуры за пределами нашей Солнечной системы - это наблюдать экзопланеты с помощью телескопов.
На сегодняшний день не было никаких правдоподобных или подтвержденных обнаружений биосигнатур за пределами нашей солнечной системы. Несмотря на это, это быстрорастущая область исследований благодаря перспективам телескопов следующего поколения. Космический телескоп Джеймса Уэбба, запускаемый в космос весной 2021 года, станет многообещающим следующим шагом в поисках биосигнатур. Хотя его диапазон длин волн и разрешение не будут совместимы с некоторыми из наиболее важных диапазонов атмосферных биосигнатурных газов, таких как кислород, он все равно сможет обнаружить некоторые доказательства механизмов ложных срабатываний кислорода.
Новое поколение наземных датчиков базирующиеся на базе 30-метровые телескопы (Thirty Meter Telescope и Extremely Large Telescope ) будут иметь возможность снимать с высоким разрешением спектры атмосфер экзопланет на различных длинах волн. Эти телескопы будут способны распознавать некоторые из наиболее сложных механизмов ложных срабатываний, такие как абиотическое накопление кислорода посредством фотолиза. Кроме того, их большая собирающая площадь обеспечит высокое угловое разрешение, что сделает исследования прямой визуализацией более возможными.
