Поиск жизни за пределами Земли давно сосредоточен на органических молекулах — прежде всего аминокислотах и жирных кислотах. Именно из них «построены» белки и клеточные мембраны. Проблема в том, что такие вещества возникают не только в живых организмах: аминокислоты находили в метеоритах, астероидах и даже в лабораторных экспериментах, моделирующих условия ранней Солнечной системы. Поэтому сама по себе находка органики не считается убедительным доказательством жизни.
До сих пор исследователи делали ставку на более тонкие признаки. Один из самых известных — хиральность, свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Жизнь на нашей планете почти всегда использует «левые» версии аминокислот, тогда как неживая химия создает смесь левых и правых форм.
Другой подход — изотопный анализ: организмы предпочитают одни варианты атомов углерода и азота другим. Однако такие сигналы легко разрушаются временем, нагревом или радиацией, а для их измерения нужны сложные приборы, которых на космических миссиях часто просто нет.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, посмотрели на проблему иначе. Вместо поиска конкретных молекул они изучили общую структуру химических смесей — то, насколько разнообразны сами соединения и как распределены их количества. Для этого ученые сравнили десятки наборов аминокислот и жирных кислот из самых разных источников: земных микроорганизмов, древних окаменелостей, морских осадков, гидротермальных источников, метеоритов, астероида Рюгу и даже образцов с астероида Бенну.
Применив математический метод, с помощью которого обычно оценивают разнообразие животных и растений в природе, авторы научной работы сравнили наборы молекул и их распределение между собой. Выяснилось, что если смесь содержит много разных веществ, распределенных относительно равномерно, ее разнообразие считается высоким. Если же почти все состоит из простых соединений — низким.
Отметим, что образцы биологического происхождения почти всегда обладают гораздо более высокой внутренней сложностью, чем абиотические. В организмах обмен веществ поддерживает производство большого числа молекул в строго сбалансированных пропорциях. Неживая химия работает иначе: термодинамика и кинетика реакций обычно приводят к доминированию нескольких самых простых и устойчивых веществ.
Этот принцип проявился даже в сильно поврежденных образцах. Некоторые древние породы возрастом более миллиарда лет и органика из горячих гидротермальных источников уже частично утратили биологический сигнал, но все еще занимали промежуточное положение между органикой биологического происхождения и полностью абиотическими смесями. Это позволило ученым выстроить своеобразную шкалу «химической деградации».
Для жирных кислот картина оказалась обратной, но не менее показательной. Биологические системы используют ограниченный набор длин цепочек, необходимых клеточным мембранам, тогда как абиотические процессы создают более ровные смеси. То есть жизнь в одних случаях увеличивает химическое разнообразие, а в других ограничивает его ради функций клетки.
Затем исследователи смоделировали условия на Европе — ледяном спутнике Юпитера, поверхность которого находится под постоянным мощным воздействием магнитосферы газового гиганта и космических лучей. Расчеты показали, что даже после разрушения части молекул статистический «рисунок» биологической химии сохраняется довольно долго. Со временем образцы становятся слишком «бедными» для анализа, но перед этим все же остаются отличимыми от неживых смесей.
Главное преимущество нового метода — его универсальность: не нужно определять точную структуру каждой молекулы либо измерять изотопы с экстремальной точностью. Достаточно знать относительное содержание веществ в образце — данные, которые уже способны получать многие космические приборы. То есть подход особенно привлекателен для будущих миссий NASA и ESA к ледяным мирам Солнечной системы.
Важно понимать, что метод сам по себе не доказывает существование жизни. Однако он может стать еще одним инструментом астробиологов, особенно там, где традиционные биосигнатуры слишком слабы или разрушены временем.