Життя без сонця: відкриття, що змусить астрономів перенаправити телескопи

Коли біологиня печер Гейзел Бартон вирушила в суцільну темряву, вона найменше сподівалася зустріти там організми, що живляться світловою енергією. Вона зрозуміла: це нове бачення фотосинтезу в темряві означає, що життя у Всесвіті може вирувати навіть там, де ми раніше й не уявляли.

"Стіна була яскраво-зеленою. Такого мерехтливого зеленого кольору ви ще ніколи не бачили, і все ж ці мікроби жили в цілковитій темряві", — розповідає Бартон, професорка геологічних наук в Університеті Алабами.

Під глибокими скелястими каньйонами пустелі Чіуауа на півдні Нью-Мексико пролягає мережа зі 119 печер. Ці печери, що входять до національного парку "Карлсбадські печери", виникли від 4 до 11 мільйонів років тому, коли сірчана кислота розчинила вапнякові породи.

Головна окраса парку — екскурсійна Карлсбадська печера. Тут блискучі сталактити вкривають склепіння "Великої зали" — величезної підземної камери завдовжки майже 1220 м і завширшки 191 м.

"Карлсбадська печера дуже доступна. Це величезна вапнякова печера, яку можуть відвідати туристи; там є сходи та драбини, тож спуститися може кожен", — каже Ларс Берендт, мікробіолог з Уппсальського університету. Він додає, що частиною печерної системи можна пересуватися навіть на кріслі колісному.

Щороку Карлсбадську печеру відвідують майже 350 000 людей, проте більшість із них навіть не здогадується, що саме тут науковці зробили одне з найбільш приголомшливих відкриттів останнього десятиліття.

У суцільній, здавалося б, темряві мікроби примудрялися видобувати енергію зі світла — такого самого, яке випромінюють червоні карлики, найпоширеніший тип зірок у нашій галактиці.

На думку Бартон, це означає, що ми можемо шукати позаземне життя у значно більшій кількості місць, ніж вважали раніше.

У 2018 році Берендт щойно захистив дисертацію. Він також здобув наукову премію, яка принесла йому певні кошти. Він зв'язався з Бартон і запропонував їй супроводжувати в експедиції. На щастя, вона погодилася.

"Спершу в Карлсбадській печері ви йдете туристичним маршрутом, а потім повертаєте за ріг, — каже Бартон. — Не знаю, скільки разів я проходила цей шлях, мабуть, разів сорок. У той момент ви повертаєте, а позаду вас залишається ніша, де панує непроглядна пітьма".

Понад 20 років Бартон вивчає мікроскопічне життя глибоко під землею. Проте те, що сталося далі, здивувало навіть її.

Берендт спрямував ліхтар на стіну. Хоча в ніші було темно, світло вихопило шар зелених мікробів, що вкривали скелю. Подальші дослідження показали, що це ціанобактерії — одноклітинні організми, споріднені з бактеріями. Проте, на відміну від більшості бактерій, ціанобактерії (відомі також як синьо-зелені водорості) використовують сонячне світло для створення поживних речовин.

"Ми почали заходити дедалі глибше в печеру, — розповідає Бартон. — Зрештою ми дісталися місця, де не бачили нічого. Довелося ввімкнути налобні ліхтарики, щоб бодай розгледіти власну руку перед обличчям, і все ж на стіні досі виднівся зелений пігмент".

Рослини мають зелений колір завдяки хлорофілу — речовині, що поглинає світлову енергію. Під час фотосинтезу ця енергія перетворює вуглекислий газ і воду на глюкозу та кисень. У ціанобактерій цей процес виглядає майже так само. Проте тут, у печері, сонячне світло відсутнє.

То що ж там відбувалося?

Виявилося, що печерні ціанобактерії мають особливий різновид хлорофілу, який вловлює ближнє інфрачервоне випромінювання. Це світло має довшу хвилю, ніж видиме, і в електромагнітному спектрі розташоване впритул до інфрачервоного. Людське око його не помічає.

Тоді як рослини та звичайні ціанобактерії використовують для фотосинтезу хлорофіл a, мешканці Карлсбадських печер застосовують хлорофіл d та f. Саме вони дають змогу отримувати енергію з ближнього інфрачервоного світла.

Хоча видиме світло проникає вглиб печери лише на сотню метрів, ближнє інфрачервоне проходить значно далі завдяки відбивним властивостям вапняку.

"Вапняк, із якого складається печера, поглинає майже все видиме світло, але для ближнього інфрачервоного випромінювання печери стають справжнім дзеркальним лабіринтом", — каже Бартон.

Ба більше, коли дослідники виміряли світло у найвіддаленішій і найтемнішій частині печери, вони виявили: концентрація ближнього інфрачервоного світла там у 695 разів вища, ніж біля входу. Водночас ціанобактерії з хлорофілом d та f, хоч і траплялися в усіх частинах печери, проте найбільші колонії вони утворювали саме в найтемніших і найглибших місцях.

Дослідники також дісталися інших печер у національному парку "Карлсбадські печери" та перевірили віддалені, маловідомі гроти. У кожному з них вони знайшли фотосинтезувальні мікроби глибоко під землею.

"Ми довели, що вони не просто там живуть, а здійснюють фотосинтез у цілковито ізольованому середовищі, де їх ніхто не чіпав протягом, імовірно, 49 мільйонів років", — підсумовує Берендт.

Бартон і Берендт — не єдині вчені, які виявили здатність мікробів жити в темряві.

У 1890 році видатний український мікробіолог Сергій Виноградський з'ясував, що деякі мікроби можуть жити виключно шляхом неорганічної матерії — цей процес він назвав хемосинтезом. Такі мікроорганізми отримують енергію завдяки хімічним реакціям, вилучаючи речовини на кшталт метану або сірководню з навколишніх гірських порід і води.

У 1996 році Хідеакі Міяшіта, який тоді навчався за постдокторською програмою НАСА, відкрив морську ціанобактерію Acaryochloris marina. Вона здатна до фотосинтезу як у видимому, так і в ближньому інфрачервоному світлі. Це відкриття дало поштовх десятиліттям досліджень того, які саме хвилі світла потрібні для фотосинтезу.

Згодом, у 2018 році, науковці з Імперського коледжу Лондона виявили фотосинтезувальні ціанобактерії в тінистих бактеріальних матах Єллоустонського національного парку та всередині прибережних скель в Австралії.

Їм навіть вдалося виростити такі мікроби в темній шафі, обладнаній інфрачервоними світлодіодами. У кожному випадку ціанобактерії спершу використовували хлорофіл a для фотосинтезу у видимому світлі, але потім перемикалися на хлорофіл f, щоб поглинати ближнє інфрачервоне випромінювання, яке людське око не бачить.

Ці знахідки змінюють наше уявлення про те, який вигляд може мати життя на інших планетах. Шукаючи придатну для життя екзопланету (планету, що обертається навколо зірки в іншій системі), важливо враховувати тип материнської зірки.

Астрономи розділили зірки на групи за кольором світла, яке вони випромінюють. У результаті вони виділили сім класів (O, B, A, F, G, K та M) і розташували їх у порядку зниження температури — від найгарячіших до найхолодніших. Зірки типів O та B — найгарячіші, наймасивніші та найяскравіші у Всесвіті. Їх вирізняє блакитно-білий колір.

"Вони виробляють багато ультрафіолетового випромінювання, тому вони токсичні для життя", — каже Бартон.

Зірки типу G, до яких належить і наше Сонце, мають жовтий колір і випромінюють багато світла у видимому спектрі. Теоретично такі зірки є гарним місцем для пошуку населених світів, проте вони становлять лише 8% від приблизно мільярда трильйонів зірок у Всесвіті.

Натомість найпоширенішим типом зірок у нашій галактиці є червоні карлики, або зірки типу M. Саме навколо них астрономи відкрили більшість кам'янистих екзопланет на сьогодні.

Оскільки червоні карлики мають малу масу, їхні планети зазвичай обертаються на близьких орбітах, що полегшує їхній пошук. Ще одна причина, чому зірки типу M виявилися такими плідними для науковців у пошуках екзопланет — це їхня величезна кількість.

Однак наразі дослідники припускають, що зірки-червоні карлики мають дуже вузьку зону придатності до життя — ділянку, найближчу до зірки, де умови не надто гарячі й не надто холодні для існування рідкої води на поверхні планети.

Оскільки наявність рідкої води є ключовою для життя на Землі, астробіологи зосередили увагу саме на цьому показнику, відомому як "зона Золотоволоски", коли шукають позаземне життя. Дотепер вони виявили десятки кандидатів.

Проте не всі ці планети здатні підтримувати життя, а спрямування таких телескопів, як "Джеймс Вебб" (JWST), потребує часу та значних ресурсів.

Ще один важливий чинник, який визначає можливість існування життя — це здатність до фотосинтезу.

На Землі фотосинтез становить основу більшості харчових ланцюгів і дає нам кисень, яким ми дихаємо. З цієї причини логічно обмежити пошуки лише тими планетами, що здатні підтримувати фотосинтез. Це може суттєво звузити зону навколо зірки, де теоретично існує життя.

Раніше астробіологи встановлювали межу для фотосинтезу на довжині хвилі 700 нм у світловому спектрі, що відповідає червоному кольору. Саме на цій позначці ефективність фотосинтезу за допомогою хлорофілу a падає. Проте ціанобактерії, які вчені знайшли в системах Карлсбадських печер, можуть поглинати світло з довжиною хвилі до 780 нм завдяки хлорофілу f.

"Переважну більшість зірок у нашій галактиці становлять саме типи M та K", — каже Бартон.

"Це означає, що більшість світил у нашій галактиці випромінюють ближнє інфрачервоне світло, і все ж ми майже нічого не знаємо про те, як фотосинтез і життя можуть виживати в умовах освітлення, яке створює така зірка".

Бартон планує це змінити. Разом із Берендтом вона подала пропозицію до НАСА, щоб визначити межі виживання фотосинтезувального життя.

Ця робота передбачає спуск у найглибші та найтемніші печери, щоб виміряти, скільки саме світла потрібно ціанобактеріям для життя. Згодом ці дані допоможуть звузити коло пошуку населених світів. Наприклад, за допомогою телескопа "Джеймс Вебб" науковці можуть вимірювати кількість і тип світла, яке отримують екзопланети.

"У своїй роботі ми намагаємося з'ясувати, за якої максимальної довжини світлової хвилі та мінімального рівня освітлення можливий фотосинтез", — каже Бартон.

"Тоді ми зможемо взяти 100 мільярдів потенційних зірок, на які здатний навестися телескоп "Джеймс Вебб", і скоротити цей список, скажімо, до 50 зірок, [навколо яких може існувати життя]".

Інакше кажучи, це дозволить астробіологам розширити перелік типів світів, здатних, на їхню думку, підтримувати життя. Залишиться лише спрямувати телескоп на потрібну зірку та шукати планети, що проходять перед нею.

Коли світло зірки проходить крізь атмосферу планети, вона поглинає певні частоти світла залежно від наявних там елементів. Тому астрономи можуть з'ясувати, чи містить атмосфера екзопланети певні елементи, що натякають на присутність життя (наприклад, кисень), шукаючи відсутні лінії у спектрі поглинання.

"Існує дуже мало способів, якими природа може створити кисень в атмосфері без участі життя", — каже Бартон.

"Тому, якщо ми знайдемо кисень в атмосфері однієї з таких екзопланет, це стане надзвичайно вагомим свідченням потенційного життя".