Симфонията, наречена „Живот“

Учени търсят планети със сходна на ранната Земя биосфера

Проф. Димитър Съселов е директор на мултидисциплинарния център Harvard Origins of Life Initiative. Защитава докторска степен по физика през 1988 г. в СУ „Св. Климент Охридски“ и докторска степен по астрономия през 1990 г. в Университета на Торонто, Канада. Той е от водещите изследователи на космическия телескоп „Кеплер“. Автор е на над 600 научни публикации, цитирани над 25 000 пъти. Девет от тях са в Nature. Научнопопулярната му книга „Животът на свръхземите“ (The Life of Super-Earths) е издадена на български през 2013 г. На Софийския фестивал на науката т.г. изнесе лекция на тема „Извънземен живот – нови насоки на търсенето“, а по време на еднодневния научен форум „Ало, Космос! Говори България!“, когато се осъществи жива видеоконферентна връзка на български ученици и студенти с Международната космическа станция, координирана от НАСА, проф. Съселов представи лекцията „Екзопланети и извънземен живот: нови насоки“.

Темата за извънземния живот има две насоки. Едната е търсене на разумни същества, а другата е извънземен живот като биосфера, поясни в началото на лекцията си проф. Съселов. На нашата планета Земя най-голямата част от биосферата – 99%, са растения и микроби. Търсенето на извънземен живот в тази насока става с помощта на химични методи. През последните 5 години астрономите установяват, че в нашата галактика – Млечния път, има милиарди звезди и за всяка има поне по една планета. Те се наричат екзопланети, а търсенето на извънземен живот от научна фантастика се превръща в сериозна научна област. Това отчита и Нобеловият комитет, който преди две годни дава награда на Джеймс Пийбълс, Мишел Майор и Дидие Кело за откриването на първата екзопланета. За своето откритие те използват факта, че като се движи звезда или друг обект, излъчващ светлина, това движение може да се регистрира с т.нар. ефект на Доплер (промяната на приеманата от наблюдателя честота и дължина на вълната – б.р.). По този начин, ако има планета в орбита около далечна звезда, тя се движи около центъра на тежестта си, както още навремето е казал Исак Нютон. Обикновено центърът на тежестта между малка планета и голяма звезда е близо до центъра на звездата. И звездата се движи със същия период, в който планетата обикаля около нея. По този начин с ефекта на Доплер може да се регистрира това движение и да се определи, че около тази звезда има и планета. За тази цел към астрономическите телескопи са прикачени специални уреди – спектрографи.
„В България на Роженската обсерватория имаме голям спек-
трограф, като ученик съм го използвал – казва ученият. – Сега използвам нов, който построихме заедно с колегите, получили Нобеловата награда. Намира се на Канарските острови – изглежда като голямо буре от стомана, защото оптиката трябва да се намира в постоянна температура, за да можем да измерим едни много малки изменения в дължината на вълната, с които откриваме планетите. Това ни дава възможност да наблюдаваме от какво се състоят тези планети. Сега строим нов
спектрограф – много по-голям, но със същото действие.“
Преди няколко години НАСА изстрелва мисията „Кеплер“ – на името на Йоханес Кеплер, който пръв е посочил, че планетите Меркурий и Венера от време на време преминават пред Слънцето. Този ефект се нарича пасаж. Телескопът „Кеплер“ използва пасажи около далечни звезди за откриването на планети. Така са открити хиляди планети. По метода на пасажите, а не по метода на ефекта на Доплер, използван преди 25 години.
Мисията „Кеплер“ предизвиква революция в астрономията, казва ученият. За първи път се установява със сигурност каква част от екзопланетите около други звездите са скалисти и са в зоната на обитаемост – т.е. са като нашата планета Земя. Зона на обитаемост означава, че там има познати температури, водата може да е течна, химическите процеси, от които зависи биосферата, протичат нормално. Благодарение на мисията „Кеплер“ се установява, че за звезди клас М тази част е от 5 до 15% (класификация на звездите според техните спектрални характеристики; цветът на една звезда се определя главно от нейната температура). В нашата галактика има 300 млрд. звезди и около всяка има поне една планета. Така че от 5% до15% е огромно количество.
„И това е само за звездите от тип М – уточнява проф. Съселов. – Преди шест месеца нашият екип в мисията „Кеплер“ публикува последното преброяване. Обработихме много данни и установихме, че от 37% до 60% от звездите като нашето Слънце имат планета, подобна на Земята.“
Това звучи оптимистично, но как стоят нещата на практика? Галактиката е огромна и дали има голямо количество звезди или планети, не означава, че те са близо една до друга. „Кеплер“ чисто статистически открива, че тези планети са далеч от нас, но съществуващите телескопи не са достатъчно добри, за да ги изследват.
„Можем да открием тези звезди, но не и да ги изследваме – казва ученият. – Но тъй като се оказа, че има много такива планети, си заслужаваше да се построи нов телескоп и НАСА одобри проекта за нова космическа мисия – „Тес“. При нея пак се използва методиката на пасажите, но се изследват цялото небе и най-ярките и близки звезди, а не само тези, които са надалеч. Мисията „Тес“ вече почна да открива планети, подобни на Земята навреме, за да започнем да ги изследваме.“
В отговор на въпроса къде би могло да е започнал живот, учените си представят тези планети като Земята преди 4 млрд. години – с океани, вулкани и континенти, т.е. комбинация от вода и скали. Въпреки че Земята е покрита с океани, това е много тънък слой и тя всъщност се състои предимно от скали. Затова астрономите търсят скалисти планети с малко количество вода, или т.нар. пребиотични планети. От средата на XX век се знае, че биохимията, която движи живота, се нуждае както от течна вода, така и от определени елементи, които се намират в скалите. Затова другата Нобелова награда получават Стенли Милър и Харолд Юри за своя експеримент от 1952 г., който симулира условията, за които по това време се счита, че са преобладавали в ранната история на Земята. По време на експеримента от вода и смес от елементи с въглерод и азот се образуват аминокиселини и различни захари, които са градивни елементи на живота. Енергията за този експериментален синтез идва от електрически светкавици. Проблемът е, че се образуват не само градивни елементи, но и много ненужни неща.
„Всъщност в тази комбинация от вода с най-различни елементи, включително градивните, не се образува нищо интересно – нито градивните за живота полимери, нито протоклетки – подчертава проф. Съселов. – Затова Карл Сеган казва: „Знаем нотите, но не се чува музика“. Сега имаме една по-скоро какофония от много ноти, а не тези, необходими за музиката на симфонията, която наричаме „Живот“.“
От работата на много биохимици днес е ясно, че една нормална протоклетка трябва да има 3 подсистеми – метаболична, която е протеини, информационна – от РНК, и мембранни клетки от липиди. Важното е да разберем как на ранната планета Земя се стига до тези градивни елементи – както при експериментите на Нил – Юри, но и да видим дали е възможно те да са самосглобяващи се, саморемонтиращи се и самовъзпроизвеждащи се. Това е необходимо, за да се стигне до жива минимална протоклетка. Хипотезата на нашия екип е, че този преход към минимални протоклетки се дължи на ролята на РНК.
Тя е единствената молекула в съвременната биохимия, която може да катализира собственото си възпроизвеждане и да действа като протеин. Преди около десетина години за първи път бе демонстрирано в лабораторни условия, че с помощта на ултравиолетова светлина могат да се синтезират по елементарен начин 12 от 20 аминокиселини, липидите и някои от нуклеотидите. Тези условия са близки на условията, които възникват в пребиотичната химия на езерата, не на океаните. Това е важно уточнение, тъй като е необходимо да има концентрация на някои от тези елементи с въглеродни и азотни атоми. Най-добрите за тези условия са елементите с цианиди. Цианкалият е познат като силна отрова. Но той е отровен за същества, които използват кислород. За анаеробни същества и микроби, съществували преди 2 млрд. години, цианидите са храна. Оказва се, че подобни условия са съществували на родната земя с атмосфера, която е от въглероден двуокис, азот и вода. И в езера, където е имало малко количество сяра, се стига до създаването на елементи, подобни на фероцианидите. Това създава същите условия от експеримента през 50-те години на Мюлер – Юри. Но този път електроните, необходими за химията, не се образуват от светкавици, а от излагането на фероцианид на ултравиолетова светлина, при което той отделя електрони. Затворени езера е имало на ранната земя, както и на Марс. Едно от големите открития в последните години от мисията на „Кюриосити“ е, че там е имало такова езеро.
„Така че в последните 2 – 3 години можем да проверим дали с помощта на ултравиолетовата светлина и този баланс между синтез и саморемонт може да стигне до образуването на градивни за живота елементи – казва ученият. – Успяхме да разберем две от три основни неща – как се самосглобяват, как могат да се саморемонтират. Остава въпросът как могат да се самовъзпроизвеждат. Преходът от химия към живот означава клетките сами да синтезират необходимите за тях молекули, живот има, когато клетките са самостоятелни. Тогава тези клетки започват да отделят големи количества газове и това е начинът, по който се надяваме да открием живот на различни далечни планети. В случая със Земята – това е предимно кислороден газ, който се отделя от много цианобактерии и други микроби. В лабораторни условия определяме какви други газове, като метан, биха могли да ни дадат доказателства, че на далечна планета атмосферата е обогатена с тези газове и на повърхността ѝ има активна биосфера. Начинът, по който можем да определим това, за щастие, е добре разработен – спектроскопия. Пред прага сме на откритието на нови светове.“