При поиске внеземной жизни астрономы могут захотеть посмотреть на планеты с богатой водородом атмосферой.
По мере появления новых и более мощных телескопов в ближайшие несколько лет астрономы смогут нацеливать мегаскопы на близлежащие экзопланеты, заглядывая в их атмосферы, чтобы расшифровать их состав и искать признаки внеземной жизни.
Но представьте, если бы в ходе наших поисков мы встретили инопланетные организмы, но не смогли распознать в них настоящую жизнь.
Это перспектива, которую такие астрономы, как Сара Сигер, надеются избежать. Сигер, профессор планетологии, физики, аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте 1941 года, выходит за рамки «землецентрического» взгляда на жизнь и забрасывает более широкую сеть того, какие виды окружающей среды за пределами нашей могут быть пригодными для жизни.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Astronomy, она и ее коллеги обнаружили в ходе лабораторных исследований, что микробы могут выживать и процветать в атмосфере, в которой преобладает водород - среда, которая сильно отличается от земной. атмосфера, богатая азотом и кислородом.
Водород намного легче азота или кислорода, и атмосфера, богатая водородом, простиралась бы намного дальше от каменистой планеты. Поэтому его легче обнаружить и изучить с помощью мощных телескопов по сравнению с планетами с более плотной атмосферой, похожей на земную.
Результаты Сигера показывают, что простые формы жизни могут обитать на планетах с богатой водородом атмосферой, предполагая, что как только телескопы следующего поколения, такие как космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА, начнут работать, астрономы, возможно, захотят сначала искать водород экзопланеты с преобладанием признаков жизни.
«Существует множество обитаемых миров, и мы подтвердили, что земная жизнь может выжить в атмосфере, богатой водородом», - говорит Сигер.«Мы определенно должны добавить такие планеты в меню опций, когда думаем о жизни в других мирах и действительно пытаемся ее найти».
Соавторами Сигера по статье из Массачусетского технологического института являются Цзинчэн Хуан, Януш Петковски и Михкель Паюсалу.
Развивающаяся атмосфера
На ранней Земле, миллиарды лет назад, атмосфера выглядела совершенно иначе, чем воздух, которым мы дышим сегодня. На молодой планете еще не было кислорода, и она состояла из смеси газов, включая углекислый газ, метан и очень небольшую долю водорода. Газообразный водород оставался в атмосфере, возможно, миллиарды лет, пока не произошло так называемое «Великое событие окисления» и постепенное накопление кислорода.
Небольшое количество водорода, которое осталось сегодня, потребляется некоторыми древними линиями микроорганизмов, включая метаногены - организмы, которые живут в экстремальных климатических условиях, таких как глубоко подо льдом или в почве пустыни, и поглощают водород, вместе с углекислым газом, чтобы произвести метан.
Ученые регулярно изучают активность метаногенов, выращенных в лабораторных условиях с 80-процентным содержанием водорода. Но очень мало исследований, изучающих толерантность других микробов к среде, богатой водородом.
«Мы хотели продемонстрировать, что жизнь выживает и может расти в водородной атмосфере», - говорит Сигер.
Водородное пространство над головой
Команда отправилась в лабораторию, чтобы изучить жизнеспособность двух типов микробов в среде со 100-процентным содержанием водорода. В качестве организмов они выбрали бактерии Escherichia coli, простые прокариоты, и дрожжи, более сложные эукариоты, которые не изучались в средах с преобладанием водорода.
Оба микроба являются стандартными модельными организмами, которые ученые давно изучали и охарактеризовали, что помогло исследователям спланировать свой эксперимент и понять его результаты. Более того, кишечная палочка и дрожжи могут выживать как с кислородом, так и без него, что является преимуществом для исследователей, поскольку они могут подготовить свои эксперименты с любым организмом на открытом воздухе, прежде чем перенести их в среду, богатую водородом.
В своих экспериментах они отдельно выращивали культуры дрожжей и кишечной палочки, а затем вводили культуры с микробами в отдельные бутыли, наполненные «бульоном» или культурой, богатой питательными веществами, чтобы микробы могли питаются. Затем они выдули богатый кислородом воздух из бутылок и заполнили оставшееся «свободное пространство» определенным представляющим интерес газом, например газом, состоящим на 100% из водорода. Затем они поместили бутылки в инкубатор, где их аккуратно и непрерывно встряхивали, чтобы способствовать смешиванию микробов и питательных веществ.
Каждый час член команды собирал образцы из каждой бутылки и подсчитывал количество живых микробов. Они продолжали пробовать до 80 часов. Их результаты представляли собой классическую кривую роста: в начале испытания число микробов быстро росло, они питались питательными веществами и заселяли культуру. В конце концов количество микробов выровнялось. Популяция, все еще процветающая, была стабильной, поскольку новые микробы продолжали расти, заменяя вымершие.
Сигер признает, что биологи не находят результаты удивительными. В конце концов, водород - это инертный газ, который по своей природе не токсичен для организмов.
«Мы не заполнили пространство над головой ядом, - говорит Сигер. «Но увидеть значит поверить, верно? Если никто никогда не изучал их, особенно эукариот, в среде с преобладанием водорода, вы бы захотели провести эксперимент, чтобы поверить в это».
Она также дает понять, что эксперимент не был разработан, чтобы показать, могут ли микробы зависеть от водорода как источника энергии. Скорее, цель заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что стопроцентно водородная атмосфера не причинит вреда и не убьет определенные формы жизни.
«Я не думаю, что астрономам приходило в голову, что в водородной среде может быть жизнь», - говорит Сигер, который надеется, что исследование будет стимулировать перекрестные обсуждения между астрономами и биологами, особенно в связи с поиском для обитаемых планет и внеземной жизни увеличивается.
Водородный мир
Астрономы не совсем в состоянии изучать атмосферы небольших каменистых экзопланет с помощью доступных сегодня инструментов. У немногих близлежащих скалистых планет, которые они исследовали, либо нет атмосферы, либо они просто слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью доступных в настоящее время телескопов. И хотя ученые выдвинули гипотезу о том, что на планетах должна быть богатая водородом атмосфера, ни один действующий телескоп не может их обнаружить.
Но если обсерватории следующего поколения действительно выберут такие земные миры с преобладанием водорода, результаты Сигера показывают, что есть шанс, что жизнь может процветать внутри.
Что касается того, как будет выглядеть каменистая, богатая водородом планета, она вызывает в воображении сравнение с самой высокой вершиной Земли, горой Эверест. Путешественникам, пытающимся подняться на вершину, не хватает воздуха из-за того, что плотность всех атмосфер падает экспоненциально с высотой, и исходя из расстояния падения для нашей атмосферы с преобладанием азота и кислорода. Если бы турист поднимался на Эверест в атмосфере, где преобладает водород - газ, который в 14 раз легче азота, - он смог бы подняться в 14 раз выше, прежде чем у него кончился воздух.
«Трудно уложить в голове, но этот легкий газ только расширяет атмосферу», - объясняет Сигер. «А для телескопов, чем больше атмосфера по сравнению с фоном звезды планеты, тем легче ее обнаружить».
Если ученым когда-нибудь представится возможность взять образец такой богатой водородом планеты, Сигер полагает, что они могут обнаружить поверхность, которая отличается от нашей, но не неузнаваема.
«Мы представляем, что если вы пробурите скважину на поверхность, там, вероятно, будут богатые водородом минералы, а не то, что мы называем окисленными, а также океаны, поскольку мы думаем, что вся жизнь нуждается в жидкости из какого-то вещества. вид, и вы, вероятно, все еще могли видеть голубое небо», - говорит Сигер. «Мы не думали обо всей экосистеме. Но это не обязательно должен быть другой мир.”
Первоначальное финансирование было предоставлено Фондом Темплтона, а исследование частично финансировалось Программой грантов профессора Массачусетского технологического института Амара Дж. Бозе.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.