Загадка происхождения жизни на Земле и возможности ее существования в других уголках Вселенной веками будоражит умы ученых и философов. Одним из ключевых вопросов в этой головоломке является происхождение сложных органических молекул, тех самых «кирпичиков», из которых строятся белки, нуклеиновые кислоты и другие компоненты живых клеток. Долгое время считалось, что такие соединения могли формироваться только в относительно теплых и спокойных условиях на поверхности планет.
Однако новое исследование международной группы ученых, в которую вошли представители Юго-западного научно-исследовательского института (SwRI), Университета Экс-Марселя и Института перспективных исследований, предлагает совершено иной сценарий. Оно переносит процесс зарождения органики в космические дали ранней Солнечной системы и связывает его с формированием ледяных лун Юпитера.
Моделирование эволюции протопланетных дисков
Ученые задались целью выяснить, могли ли спутники газового гиганта, в первую очередь знаменитые галилеевы луны Европа, Ганимед, Каллисто и Ио, изначально содержать в своем составе сложные органические соединения. Чтобы ответить на этот вопрос, команда ученых создала сложные компьютерные модели, описывающие два ключевых этапа формирования нашей системы. Первый этап, это эволюция протосолнечной туманности, огромного вращающегося облака из газа и пыли, из которого впоследствии родились Солнце и все планеты. Второй этап, это формирование околопланетного диска Юпитера, миниатюрной версии туманности, из которой непосредственно аккрецировали (слипались воедино) сама планета и ее многочисленные луны.
В центре внимания моделирования оказались мельчайшие ледяные пылинки, дрейфующие в этих дисках. Известно, что в лабораторных условиях, имитирующих космический холод и вакуум, облучение льдов, состоящих из простых молекул вроде метанола, углекислого газа и аммиака, ультрафиолетом или их умеренный нагрев приводят к образованию более сложных углеродсодержащих цепочек. Главной задачей исследователей было понять, могли ли подобные условия существовать в реальной динамичной среде протопланетного диска. Специально разработанный модуль переноса зерен позволил отследить траектории миллионов ледяных частиц, реконструируя их «жизненный путь»: где они побывали, какому излучению и каким температурам подверглись.
Результаты этого масштабного моделирования, опубликованные в журналах The Planetary Science Journal и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, оказались поразительными. Модели показали, что существует как минимум два надежных пути обогащения спутников Юпитера сложной органикой. Во первых, значительная часть ледяных зерен могла приобрести необходимые химические свойства еще на стадии протосолнечной туманности. Затем, благодаря газовым потокам и турбулентности, эти уже «подготовленные» частицы эффективно транспортировались в область формирования Юпитера и его диска.
В некоторых смоделированных сценариях почти половина всей органики попадала на спутники, не претерпевая при этом разрушительных химических изменений. Во вторых, исследование подтвердило, что синтез сложных молекул мог происходить и непосредственно в окрестностях самого Юпитера. В его околопланетном диске существовали зоны с достаточным для запуска химических реакций теплом, что позволяло создавать органику уже на месте.
Большой потенциал
Эти открытия имеют значение для понимания потенциала жизни в системе Юпитера. Особый интерес представляют Европа, Ганимед и Каллисто, под ледяной корой которых, как убеждены планетологи, скрываются огромные океаны жидкой воды. Ранее главными условиями для обитаемости этих миров считались наличие жидкой воды и источника энергии, например геотермальной активности на дне океана.
Теперь же выясняется, что с самого своего рождения эти спутники могли обладать и третьим критическим компонентом — богатым запасом сложных органических соединений. Фактически, ледяные луны Юпитера могли сформироваться не как стерильные глыбы льда и камня, а как миры, изначально содержащие в себе богатый «пребиотический суп» из химических предшественников аминокислот и нуклеотидов. Попав в подповерхностные океаны и смешавшись с водой, эти молекулы могли запустить те самые процессы, которые в итоге приводят к возникновению жизни.
Выводы, полученные международной группой, пришлись как нельзя кстати. Прямо сейчас к системе Юпитера направляются два современных космических аппарата: американский Europa Clipper и европейский JUICE. Их миссии как раз нацелены на изучение спутников Юпитера, анализ состава их поверхности и оценку обитаемости. Благодаря новым теоретическим моделям, ученые теперь имеют четкую научную основу для интерпретации тех данных, которые передадут эти зонды.
Понимание того, как и где именно могла формироваться и накапливаться органика, позволяет исследователям более точно нацеливать инструменты и расшифровывать химический состав поверхности и недр ледяных лун. Работа демонстрирует удивительную целостность процесса формирования планет: условия, благоприятные для зарождения жизни, могут закладываться не на финальных стадиях эволюции планеты, а задолго до ее рождения, в глубинах космических облаков, давая начало новым мирам.
Возможность жизни уже «запрограммирована» изначально?
Если представить себе гипотетическую «космическую кухню», где готовится жизнь, то рецепт будет состоять всего из трех компонентов: «ингредиенты» (те самые сложные органические молекулы), «вода» (универсальный растворитель) и «огонь» (источник энергии).
Раньше считалось, что первый пункт это самое сложное звено. Предполагалось, что органические молекулы собираются в единое целое случайно, методом бесчисленных проб и ошибок, в «теплой луже» на поверхности молодой планеты. Это похоже на попытку собрать сложный механизм, имея под рукой только груду металлолома.
Новое исследование меняет это представление. Оно показывает, что строительные блоки поступают на планету или спутник уже в готовом, собранном виде. Ледяные частицы в диске, подобно крошечным фабрикам, под воздействием естественного излучения и тепла создают сложные углеродные цепи. Это происходит не случайно, а как неизбежный физико-химический процесс в тех условиях, которые существовали в ранней Солнечной системе.
И вот тут мы подходим к сути вопроса. Если в космосе, при наличии льда, углерода и ультрафиолета, сложная органика образуется «автоматически», и если эта органика затем так же «автоматически» доставляется на только что сформировавшиеся небесные тела, то да, возможность для возникновения жизни оказывается заложенной в сами физические законы. Это не случайность, а скорее закономерный этап эволюции планетной системы.
В этом смысле слово «запрограммирована» работает идеально. «Программа», это законы физики и химии. «Исполнитель» это космические процессы: гравитация, излучение звезды, движение пылинок. А «результат выполнения программы» — это новорожденная планета или ее спутник, которые уже обладают всем необходимым набором химических элементов для дальнейшего развития.
Однако важно понимать, где проходит граница. Наличие всех ингредиентов это еще не сама жизнь. Это только фундамент, «пребиотическое состояние». Переход от сложной органики к самовоспроизводящейся системе (к жизни) — это уже следующий, еще более сложный и загадочный шаг. Новое моделирование объясняет, как строится этот фундамент. Оно говорит нам: «Смотрите, природа не оставляет этот важнейший этап на волю случая. Она системно и в промышленных масштабах создает условия для возникновения жизни».
Таким образом, ответ на вопрос: и да, и нет. Да, фундаментальная возможность для жизни, ее химическая основа, по-видимому, закладывается на самых ранних этапах формирования планет как закономерный результат действия фундаментальных сил. Но нет, сама жизнь, это не предопределенный финал этой программы, а скорее следующий, гораздо более редкий и уникальный этап, который может произойти, а может и не произойти даже на самой «подготовленной» планете или спутнике. Исследование показывает, что стартовые условия в системе Юпитера (и видимо не только там) были гораздо более благоприятными, чем думали раньше.