Фосфин на Венере: биомаркер, но ещё не «признак жизни»

Молекулы фосфина на фоне Венеры. ESO/M. Kornmesser/L. Calçada & NASA/JPL/Caltech.

В атмосфере Венеры обнаружены следы фосфина — соединения фосфора, которое в условиях Земли вырабатывается только микроорганизмами или синтезируется в лаборатории. Вещество в незначительных концентрациях присутствует на определённых широтах в атмосфере Венеры на высоте 50 км, в слоях, где температура и давление близки к земным. Это соединение рассматривается как возможный маркер для поисков жизни по спектрам атмосфер других планет.

14 сентября 2020 года новостные порталы массово опубликовали новость с заголовками: «На Венере обнаружена жизнь». Поводом для новостей стала публикация работы британских и американских астрофизиков об обнаружении в атмосфере Венеры молекул фосфина PH3 в следовых концентрациях. В тот же день состоялась внеплановая пресс-конференция Британского Королевского астрономического общества (Royal Astronomical Society), на которой были сообщены детали открытия. Исследование опубликовано 14 сентября 2020 года в Nature Astronomy.

Фосфин — это соединение, в земных условиях являющееся результатом жизнедеятельности организмов или получаемое в лабораторных условиях или в промышленности. Геологические процессы. в которых выделялся бы фосфин, неизвестны. По химическому строению и свойствам фосфин напоминает аммиак NH3, в котором место атома азота занимает фосфор из той же V группы элементов. Как и аммиак, он рассматривается как биомаркер, хотя эта идея появилась совсем недавно, в 2019 году, и была выдвинута в статье в Astrobiology этой же группой астрофизиков. Значимость его в этом качестве ещё и в том, что он не может долго существовать, разлагаясь под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, поэтому его запасы должны постоянно пополняться из источников, содержащих фосфор. Там, где жизнь существует, основной механизм пополнения — восстановление соединений фосфора, в частности, фосфатов. Это происходит в анаэробных обстановках, таких, как болота без доступа воздуха. Кроме того, фосфин обладает большей реакционной способностью по сравнению с аммиаком; это значит, что для уверенного детектирования на других планетах он должен производиться в более значимых количествах.

В недавней статье рассматривались шесть локаций в Солнечной системе, которые астробиологи рассматривают как возможные объекты для поиска внеземной жизни. Одно из таких мест — Венера: не исключается, что бактерии могли бы существовать даже в условиях её плотной углекислой атмосферы и высоких температур. Однако, если бы они действительно существовали, они должны плавать в атмосфере на высоте порядка 50 километров под действием ураганных ветров. На этой высоте температура и давление имеют разумные значения даже для жизни в «земном» понимании, а в атмосфере Земли на большой высоте микроорганизмы существуют. Эта гипотеза появилась несколько десятилетий назад, поэтому «открытие» не было неожиданным: верхние слои атмосферы Венеры с умеренными условиями были целевым объектом для поисков.

Гипотетический жизненный цикл микроорганизмов в слое атмосферы Венеры на высоте 50—60 км. S. Seager et al., Astrobiology (2020).

Фосфор как химический элемент в атмосферах других планет обнаруживается по характерным линиям спектра поглощения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне (длины волн порядка микрометра и меньше). Но такие находки ничего не говорят о химических соединениях, в которых элементы встречаются. Для идентификации молекул необходимо исследовать области спектра, в которых находятся молекулярные полосы поглощения. Атомы в молекулах связаны значительно слабее, чем электроны в атомах и характерные частоты колебаний молекул значительно меньше атомных. Они отвечают длинам волн миллиметрового/субмиллиметрового диапазона и относятся к компетенции радиотелескопов. В исследовании речь идёт об обнаружении только одной спектральной линии миллиметрового диапазона, соответствующей фосфину. Это линия на длине волны 1,123 мм, отвечающая излучению вращательной степени свободы молекулы PH3. Вблизи этой длины не так много линий поглощения от других молекул, которые могут встречаться в атмосфере, что добавляет уверенности в результате.

Участок спектра в районе линии поглощения фосфина 1,123 мм по независимым наблюдениям двух радиотелескопов. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Greaves et al. & JCMT (East Asian Observatory).

Первое детектирование линии поглощения фосфина состоялось ещё в 2017 году на радиотелескопе Максвелла JCMT (James Clerk Maxwell Telescope) на Гавайях. Но в 2017 году результат не был заявлен. Такие всплески в линиях спектра могут объясняться множеством причин, включая ошибки обработки сигнала. При наблюдении с наземных телескопов свет проходит через слой атмосферы Земли, где все эти газы, в том числе «биомаркерные», заведомо присутствуют, поэтому для выделения слабого сигнала от другой планеты используются сложные алгоритмы исключения спектральных линий от земных газов. Для уверенного подтверждения открытия наблюдения нужно было повторить на независимом инструменте. В марте 2019 года ту же линию поглощения фосфина в атмосфере Венеры удалось зафиксировать при помощи сети радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) в пустыне Атакама в Чили. Этот инструмент обладает лучшим разрешением и позволяет исследовать отдельные участки атмосферы Венеры. Таким образом удалось установить, что фосфин присутствует на высоте порядка 55 км, то есть в той самой предположительно благоприятной зоне с температурами около 30 °C. Он в основном сосредоточен в средних широтах, в значительно меньших концентрациях — вблизи экватора и не наблюдается вблизи полюсов. Оценки авторов дают содержание фосфина около 20—30 ppb (молекул на миллиард).

Ролик Массачусетского технологического института (MIT) об обнаружении фосфина на Венере.

Однако в этой истории есть ключевой момент: о жизни на Венере говорить преждевременно. Фосфин — возможная биосигнатура, но о его связи с жизнедеятельностью микроорганизмов мы судим только по земному опыту. Пока неизвестно, где он получается на Земле без участия микроорганизмов и вне лабораторий. Аналогичная история уже была с обнаружением метана CH4 на Марсе. Этот газ считается хорошим биомаркером: на Земле он может быть связан с жизнью, но может иметь неорганическое происхождение. Больше того, это не первое обнаружение фосфина за пределами Земли. В 2009 году появились статьи об открытии фосфина в схожих концентрациях в атмосферах Юпитера и Сатурна по результатам зонда Кассини и других космических аппаратов. На газовых планетах для синтеза фосфина есть достаточно энергии, но на Венере и других каменных планетах таких условий нет. Авторы рассматривают несколько возможных источников происхождения фосфина в атмосфере, в числе которых и космические причины, например, доставка метеоритами и кометами. Происхождение в результате жизнедеятельности микроорганизмов рассматривается как одна из версий наряду с другими. Исходя из термодинамических расчётов и представлений о составе атмосферы, другие известные пути синтеза фосфина на Венере выглядят менее вероятными или исключаются.

Общий вывод исследователей — фосфин вырабатывается в результате пока неизвестных и неучтённых геохимических процессов, из числа которых нельзя исключать и биохимию. Однако для уверенного подтверждения того, что это именно фосфин, необходимо обнаружить другие его характерные линии поглощения в атмосфере Венеры. А заключение о существовании микробной жизни должно основываться только на целом комплексе таких биомаркеров.