Доступность определенных металлов может указывать на внеземную биологию

Жизнь — это не просто философская загадка, а сложнейшая физико-химическая система, зависящая от множества условий, без которых она просто невозможна. Среди этих условий одно из самых фундаментальных — наличие энергии. Но энергия не появляется из ниоткуда: чтобы ее извлечь, нужны определенные «строительные блоки» — элементы, которые позволяют поддерживать процессы, лежащие в основе биологической активности. В своей новой статье, опубликованной в The Open Journal of Astrophysics, Джованни Ковоне и Донато Джованнелли из Неаполитанского университета предлагают свежий взгляд на поиск внеземной жизни, смещая акцент с традиционных критериев пригодности планет на более тонкий, но, возможно, решающий фактор — доступность определенных металлов, необходимых для ключевых биохимических реакций.

Идея, лежащая в основе их исследования, одновременно проста и глубока. Жизнь, как мы ее знаем, черпает энергию из термодинамического дисбаланса — из состояний, когда система стремится к равновесию, но еще не достигла его. Один из главных способов, которым живые организмы используют этот дисбаланс, — окислительно-восстановительные (ОВР) реакции. Эти реакции, знакомые каждому по школьному курсу химии, сопровождаются переносом электронов и высвобождением энергии, которую клетки затем используют для синтеза АТФ — универсальной «энергетической валюты» жизни. Однако для того чтобы такие реакции происходили эффективно, необходимы специальные белки, называемые оксидоредуктазами. И здесь появляется важный поворот: эти белки не могут функционировать без участия определенных металлов, встроенных в их структуру.

Речь идет о таких элементах, как железо, никель, медь и другие, которые в химии классифицируются как металлы — в отличие от астрономического понятия «металличность», где под металлами понимают все элементы тяжелее гелия. Эти «биометаллы» играют решающую роль: железо и никель участвуют в реакциях, связанных с переносом электронов от водорода, а медь необходима для восстановления кислорода — процесса, лежащего в основе аэробного дыхания. Без них невозможны многие из тех реакций, которые делают жизнь возможной даже в самых простых формах.

Авторы статьи обращают внимание на то, что история Земли демонстрирует прямую связь между доступностью этих металлов и эволюцией жизни. Например, «Великое окислительное событие» около 2,3 миллиарда лет назад, вызванное цианобактериями, кардинально изменило химию планеты. Выделение кислорода привело к массовому вымиранию анаэробных организмов, но одновременно создало условия для появления новых форм жизни, способных использовать кислород — и, как следствие, потреблять медь и железо в новых биохимических путях. Аналогичным образом тектоническая активность и вулканизм, такие как извержения Деканских траппов, меняли химический состав океанов и атмосферы, влияя на концентрацию доступных биометаллов и, следовательно, на развитие биосферы.

Из этого следует логичный вывод: если доступность металлов так сильно влияла на развитие жизни на Земле, то почему бы не использовать этот критерий при поиске жизни за ее пределами? Ученые предлагают расширить существующий подход к отбору потенциально обитаемых экзопланет. Сейчас они в основном ориентируются на три параметра: наличие свободной энергии, жидкой воды и элементов CHNOPS — углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы. Эти элементы действительно необходимы, но, как отмечают авторы, они относительно распространены в галактике. Гораздо более редкими и, следовательно, более ограничивающими могут быть именно биометаллы с высоким атомным номером, такие как железо, медь, молибден, ванадий и другие.

Таким образом, включение анализа содержания этих металлов в звездах и их планетных системах может стать мощным инструментом приоритизации объектов для дальнейшего изучения. В условиях ограниченных ресурсов — ведь у нас есть только несколько мощных телескопов, способных анализировать атмосферы далеких миров — такой подход позволяет сократить список кандидатов до тех, у кого не просто есть вода и углерод, но и реальная химическая основа для сложной, энергозатратной биологии.

К счастью, технологическая база для этого уже закладывается. Например, будущая миссия Европейского космического агентства PLATO, ориентированная на поиск экзопланет, будет собирать спектроскопические данные, из которых можно будет извлекать информацию не только о CHNOPS, но и о содержании металлов в звездных атмосферах. Поскольку состав звезды отражает состав ее протопланетного диска, можно с определенной долей уверенности предположить, какие элементы были доступны при формировании планет. Это означает, что уже в ближайшие годы мы сможем не просто находить «похожие на Землю» миры, но и оценивать их с точки зрения химической пригодности для сложной жизни.

Впрочем, как и в любом научном подходе, здесь есть свои нюансы. Например, звезды с высокой металличностью — то есть с большим содержанием тяжелых элементов — могут быть более «богатыми» на биометаллы, но при этом излучать меньше ультрафиолета, что, в свою очередь, может затруднять образование озонового слоя — важного защитного экрана от жесткого космического излучения. Получается, что слишком много металлов может сопровождаться другими, менее благоприятными условиями. Это напоминает, что поиск жизни — это не поиск одного идеального параметра, а попытка найти баланс между множеством взаимосвязанных факторов.

Тем не менее, предложение ученых вносит важный вклад в астробиологию. Оно напоминает нам, что жизнь — это не просто наличие температуры, при которой вода не замерзает или не испаряется. Это сложная сеть химических процессов, зависящих от конкретных элементов, которые должны не просто присутствовать, но и быть доступными в нужных формах и количествах. Учитывая, что в Млечном Пути могут существовать миллионы экзопланет, добавление нового фильтра — наличия ключевых биометаллов — может стать тем самым шагом, который позволит нам не просто искать жизнь, а искать ее там, где она действительно имеет шанс возникнуть и эволюционировать.