Ядовитая молекула может быть верным признаком внеземной жизни

Большая часть жизни на Земле, особенно вся аэробная, дышащая кислородом, не хочет иметь ничего общего с фосфином, не производит его и не нуждается в нем для выживания.

Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что фосфин вырабатывается другой, менее распространенной формой жизни: анаэробными организмами, такими как бактерии и микробы, которые не нуждаются в кислороде для процветания. Исследователи обнаружили, что фосфин не может быть произведен каким-либо иным способом, что делает фосфин чистой биосигнатурой - признаком жизни (по крайней мере, определенного вида).

Исследователи сообщают, что, если бы фосфины производились в количествах, подобных метану на Земле, газ генерировал бы характерную картину света в атмосфере планеты. Эта схема была бы достаточно четкой, чтобы обнаружить ее на расстоянии 16 световых лет от телескопа, такого как запланированный космический телескоп Джеймса Уебба. Если бы фосфин был обнаружен на скалистой планете, это было бы безошибочным признаком внеземной жизни.

«На Земле кислород - действительно впечатляющий признак жизни», - говорит ведущий автор Клара Соуза-Силва, научный сотрудник Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Но не только живые организмы производят кислород. Важно учитывать незнакомые молекулы, которые могут появляться не так часто, но, если найти их на другой планете, есть только одно объяснение».

Соуза-Силва и ее коллеги собирают базу данных отпечатков молекул, которые могут быть потенциальными биосигнатурами. Команда собрала более 16 000 кандидатов, включая фосфины. Подавляющее большинство этих молекул еще предстоит полностью охарактеризовать, и, если ученые обнаружат любую из них в атмосфере экзопланеты, они все равно не узнают, являются ли молекулы признаком жизни или чем-то еще.

Но благодаря новой работе Соузы-Силвы ученые могут быть уверены в интерпретации по крайней мере одной молекулы: фосфина. Основной вывод статьи состоит в том, что, если фосфин обнаружен на соседней каменистой планете, эта планета должна таить в себе какую-то жизнь.

В течение последних 10 лет Соуза-Силва посвятила свою работу полной характеристике ядовитого газа, сначала путем методической расшифровки свойств фосфина и того, как он химически отличается от других молекул.

В 1970-х годах фосфин был обнаружен в атмосферах Юпитера и Сатурна - очень горячих газовых гигантов. Ученые предположили, что молекула образовалась спонтанно и, как описывает Соуза-Сильва, «была яростно драгирована огромными конвективными штормами».

Тем не менее, о фосфине было известно немного, и Соуза-Сильва посвятила свою дипломную работу изучению спектрального отпечатка фосфина. В своей дипломной работе она прибавила точные длины волн света, который должен поглощать фосфин.

Во время докторской диссертации, она начала задаваться вопросом: может ли фосфин производиться не только в экстремальных условиях газовых гигантов, но и в результате жизни на Земле?

«Таким образом, мы начали собирать все упоминания о том, что фосфин был обнаружен в любой точке Земли, и оказалось, что везде, где нет кислорода, есть фосфин: в болотах, озерных отложениях, навозе и кишечниках», - говорит Соуза-Силва. «Внезапно все это обрело смысл: это действительно токсичная молекула для всего, что любит кислород. Но для жизни, которая не любит кислород, это очень полезная молекула».

Осознание того, что фосфин связан с анаэробной жизнью, было подсказкой, что молекула может быть жизнеспособной биосигнатурой. Но, чтобы быть уверенным, группа должна была исключить любую возможность того, что фосфин может производиться чем-либо кроме жизни. Чтобы сделать это, они провели последние несколько лет, изучая многие виды фосфора, основного строительного блока фосфина, посредством исчерпывающего теоретического анализа химических путей, в условиях все более экстремальных сценариев, чтобы увидеть, может ли фосфор превращаться в фосфины любым абиотическим (то есть неживым) способом.

Фосфин - это молекула, состоящая из одного атома фосфора и трех атомов водорода, которые обычно не собираются вместе. Требуется огромное количество энергии, например, в экстремальных условиях Юпитера и Сатурна, чтобы разбить атомы с достаточной силой, чтобы преодолеть их естественную неприязнь. Исследователи разработали химические пути и термодинамику, связанные с несколькими сценариями на Земле, чтобы выяснить, могут ли они производить достаточно энергии, чтобы превратить фосфор в фосфины.

Они обнаружили, что фосфин не имеет значительных ложных срабатываний, что означает, что любое обнаружение фосфина является верным признаком жизни. Затем исследователи выяснили, может ли молекула быть обнаружена в атмосфере экзопланеты. Они моделировали атмосферы идеализированных, бедных кислородом, экзопланет двух типов: богатых водородом и двуокиси углерода. Они вводили в симуляцию различные скорости производства фосфина и экстраполировали, как будет выглядеть спектр света в данной атмосфере при определенной скорости производства фосфина.

Они обнаружили, что если фосфины производятся в относительно небольших количествах, эквивалентных количеству метана, то они генерируют в атмосфере сигнал, достаточно четкий, чтобы его можно было обнаружить с помощью передовой обсерватории, такой как предстоящий космический телескоп Джеймса Уебба, если планета находится в пределах 5 парсеков или около 16 световых лет от Земли - зона пространства, которая покрывает множество звезд, вероятно, со скалистыми планетами.

Соуза-Сильва говорит, что помимо определения фосфина как жизнеспособной биосигнатуры в поисках внеземной жизни, результаты группы предоставляют исследователям канал или процесс, которому необходимо следовать для характеристики любых других из 16 000 биосигнатурных кандидатов.

Статья была опубликована в журнале Astrobiology.