В поисках внеземной жизни астрономы могут захотеть посмотреть на планеты с богатыми водородом атмосферами.
По мере того, как в ближайшие несколько лет будут мигать новые и более мощные телескопы, астрономы смогут нацеливать мегаскопы на близлежащие экзопланеты, вглядываясь в их атмосферу, чтобы расшифровать их состав и искать признаки внеземной жизни. Но представьте, если в наших поисках мы действительно сталкивались с инопланетными организмами, но не смогли распознать их как настоящую жизнь.
Это перспектива, которую такие астрономы, как Сара Сигер, надеются избежать. Сигер, профессор Планетарной науки, физики и аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте в 1941 году, смотрит за пределы «террацентрического» взгляда на жизнь и создает более широкую сеть для того, какие виды окружающей среды за пределами нашей собственной могут быть пригодными для жизни.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Astronomy , она и ее коллеги наблюдали в лабораторных исследованиях, что микробы могут выживать и процветать в атмосфере, в которой преобладает водород - среда, которая сильно отличается от атмосферы Земли, богатой азотом и кислородом.
Водород является гораздо более легким газом, чем азот или кислород, и богатая водородом атмосфера будет простираться намного дальше от каменистой планеты. Поэтому его легче обнаружить и изучить с помощью мощных телескопов по сравнению с планетами с более компактной, подобной Земле атмосферой.
Результаты Сигера показывают, что простые формы жизни могут обитать на планетах с атмосферой, богатой водородом, что позволяет предположить, что, как только телескопы следующего поколения, такие как космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба, начнут работать, астрономы, возможно, захотят сначала искать в экзопланетах с преобладанием водорода признаки жизни.
«Существует множество обитаемых миров, и мы подтвердили, что земная жизнь может выжить в богатой водородом атмосфере», - говорит Сигер. «Мы определенно должны добавить такие виды планет в меню опций, когда думаем о жизни в других мирах и пытаемся ее найти».
Соавторами Seager MIT в работе являются Jingcheng Huang, Janusz Petkowski и Mihkel Pajusalu.
Развивающаяся атмосфера
На ранней Земле, миллиарды лет назад, атмосфера выглядела совершенно иначе, чем воздух, которым мы дышим сегодня. Младенческая планета еще не содержала кислорода и состояла из супа газов, в том числе углекислого газа, метана и очень маленькой доли водорода. Газообразный водород задерживался в атмосфере, возможно, на протяжении миллиардов лет, вплоть до так называемого Великого события окисления и постепенного накопления кислорода.
Небольшое количество водорода, которое остается сегодня, потребляется некоторыми древними линиями микроорганизмов, включая метаногены - организмы, которые живут в экстремальных климатических условиях, таких как глубоко подо льдом или в пустынной почве, и поглощают водород вместе с диоксидом углерода для производства метана. ,
Ученые регулярно изучают активность метаногенов, выращенных в лабораторных условиях с 80-процентным содержанием водорода. Но есть очень немного исследований, которые исследуют толерантность других микробов к богатой водородом окружающей среде.
«Мы хотели продемонстрировать, что жизнь выживает и может расти в атмосфере водорода», - говорит Сигер.
Водородное пространство
Команда взяла в лабораторию, чтобы изучить жизнеспособность двух типов микробов в среде на 100 процентов водорода. Выбранные ими организмы были бактериями Escherichia coli , простым прокариотом, и дрожжами, более сложным эукариотом, которые не изучались в средах с преобладанием водорода.
Оба микроба являются стандартными модельными организмами, которые ученые давно изучали и охарактеризовали, что помогло исследователям разработать свой эксперимент и понять их результаты. Более того, E.coli и дрожжи могут выживать как с кислородом, так и без него - это полезно для исследователей, поскольку они могут подготовить свои эксперименты с любым организмом на открытом воздухе, прежде чем переносить их в богатую водородом среду.
В своих экспериментах они по отдельности выращивали культуры дрожжей и кишечной палочки , а затем инъецировали культуры с микробами в отдельные флаконы, наполненные «бульоном» или богатой питательными веществами культурой, которую микробы могли питаться. Затем они вылили в бутылки богатый кислородом воздух и заполнили оставшееся «свободное пространство» определенным интересным газом, таким как газ, содержащий 100 процентов водорода. Затем они поместили флаконы в инкубатор, где их осторожно и непрерывно встряхивали, чтобы способствовать смешиванию микробов и питательных веществ.
Каждый час член команды собирал образцы из каждой бутылки и считал живые микробы. Они продолжали пробовать до 80 часов. Их результаты представляли классическую кривую роста: в начале испытания количество микробов быстро росло, питаясь питательными веществами и населяя культуру. Со временем количество микробов выровнялось. Население, все еще процветающее, было стабильным, поскольку новые микробы продолжали расти, заменяя те, которые погибли.
Сигер признает, что биологи не находят результаты удивительными. В конце концов, водород является безвредным газом, и поэтому сам по себе не токсичен для организмов.
«Это не значит, что мы заполнили свободное пространство ядом», - говорит Сигер. «Но видеть значит верить, верно? Если никто никогда не изучал их, особенно эукариот, в среде, где преобладает водород, вы захотите провести эксперимент, чтобы поверить в это ».
Она также поясняет, что эксперимент не был разработан, чтобы показать, могут ли микробы зависеть от водорода как источника энергии. Скорее, дело было больше в том, чтобы продемонстрировать, что 100-процентная водородная атмосфера не будет вредить или убивать определенные формы жизни.
«Я не думаю, что астрономам пришло в голову, что в водородной среде может быть жизнь», - говорит Сигер, который надеется, что исследование будет способствовать перекрестным разговорам между астрономами и биологами, особенно в том, что касается поиска обитаемых планет и внеземной жизни, наращивает.
Мир водорода
Астрономы не в состоянии изучить атмосферу небольших скалистых экзопланет с помощью инструментов, доступных сегодня. Немногочисленные близлежащие скалистые планеты, которые они исследовали, либо лишены атмосферы, либо могут быть слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью имеющихся в настоящее время телескопов. И хотя ученые выдвинули гипотезу о том, что планеты должны содержать богатые водородом атмосферы, ни у одного работающего телескопа нет разрешения обнаружить их.
Но если обсерватории следующего поколения выберут такие доминирующие водородом земные миры, результаты Сигера показывают, что есть шанс, что жизнь может процветать внутри.
Что касается того, на что похожа скалистая, богатая водородом планета, она вызывает в воображении сравнение с самой высокой вершиной Земли, Mt. Эверест. Путешественники, пытающиеся подняться на вершину, выбегают из-за того, что плотность всех атмосфер снижается экспоненциально с высотой, и основывается на расстоянии спада для нашей атмосферы с преобладанием азота и кислорода. Если бы путешественник взбирался на Эверест в атмосфере, где преобладает водород - газ, в 14 раз легче азота, - она сможет подняться в 14 раз выше, прежде чем закончится воздух.
«Сложно разобраться, 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 удастся попробовать такую богатую водородом планету, Сигер воображает, что они могут обнаружить поверхность, отличную от нашей, но не узнаваемую.
«Мы представляем, что если вы углубитесь в поверхность, то в ней, вероятно, будут присутствовать богатые водородом минералы, а не то, что мы называем окисленными, а также океаны, поскольку мы считаем, что вся жизнь нуждается в какой-то жидкости, и вы, вероятно, все еще можете увидеть голубое небо », - говорит Сигер. «Мы не думали обо всей экосистеме. Но это не обязательно должен быть другой мир ».
Семенное финансирование было предоставлено Фондом Темплтона, а исследование частично финансировалось Программой грантов на исследования профессора Массачусетского технологического института Амара Бозе.
