Хотя уже найдено 5 000 экзопланет, поиск жизни усиливается, в частности, благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб». Он способен исследовать атмосферу планет и искать биосигнатуры: следы определенных газов, которые могут быть обнаружены только в присутствии внеземной жизни. В настоящее время в основном ищут следы кислорода и метана, поскольку азот N2 особенно трудно обнаружить, но новое исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal, только что добавило новый элемент: оксид азота.
По мнению исследователей, «сосуществование N2 и O2 в атмосфере является возможной биосигнатурой», поскольку, с одной стороны, эти две моноатомные молекулы имеют химический дисбаланс, а с другой стороны, только биологические процессы могут производить большое количество этих газов. Однако для них лучше сосредоточиться на производном азота — N2O! Этот газ, известный также как оксид азота, обладает анестезирующими и обезболивающими свойствами, а также известен как «веселящий газ» из-за его эйфоризирующего эффекта при вдыхании. Самое главное, что он производится в больших количествах на Земле и, вполне возможно, на других планетах.
Азотный цикл может быть иным на экзопланете
Первоначально созданный многочисленными микроорганизмами в почве и океанах, азот в нашей атмосфере сегодня также поступает в результате сжигания органических веществ, ископаемого топлива или даже других отраслей промышленности. Хотя азотный цикл в результате этого нарушается, он по-прежнему работает по той же схеме: азот из океанов и атмосферы фиксируется бактериями, преобразуется, когда они умирают, а затем либо усваивается растительной биомассой и возвращается на землю, либо денитрифицируется бактериями и возвращается в атмосферу.
В настоящее время оксид азота в основном образуется в результате деятельности человека, в первую очередь сельского хозяйства. Однако без вмешательства человека он будет производиться в основном денитрифицирующими бактериями, из которых образуется либо N2, либо N2O. «Один из этих путей переработки включает образование N2O, который может либо подвергаться дальнейшему биологическому восстановлению до N2, либо выходить непосредственно через границу раздела воздух-море в атмосферу«, — поясняют исследователи.
Однако, по словам исследователей, возможно, что последний этап денитрификации, который меняет N2O на N2, не происходит на других планетах! «Биологические потоки N2O могли бы быть значительно выше из-за отсутствия металлических катализаторов или если бы последняя стадия метаболизма денитрификации, которая производит N2 из N2O, никогда не развивалась«, — объясняют они. Действительно, если вернуться далеко назад в историю Земли, в протерозойскую эру количество N2O было намного выше, чем сегодня.
Это было связано с недостатком медных катализаторов в океанах, что препятствовало заключительной стадии цикла денитрификации! Таким образом, можно представить себе аналогичный процесс на других обитаемых мирах, что ставит под сомнение исследования, проведенные на сегодняшний день. «Этот вывод не учитывает периоды в истории Земли, когда условия океана позволяли гораздо большее биологическое выделение N2O. Условия этих периодов могут отражать местоположение экзопланеты сегодня», — говорит Швитерман.
Кроме того, в океанах могут действовать новые механизмы для образования оксида азота. «Жизнь производит азотистые отходы, которые преобразуются определенными микроорганизмами в нитраты. В аквариуме эти нитраты накапливаются, поэтому приходится менять воду«, — говорит Эдди Швитерман, первый автор исследования и астробиолог из Калифорнийского университета в Риверсайде. Однако при правильных условиях в океане некоторые бактерии могут превращать эти нитраты в N2O. Затем газ уходит в атмосферу.
N2O предпочтительнее в звездах с низкой светимостью
Чтобы убедиться в этом, исследовательская группа провела многочисленные моделирования для множества различных планет. Затем они изучили «накопление N2O в диапазоне кислородных условий (текущий уровень атмосферы от 1% до 100%) и потоков N2O (от 0,01 до 100 Тмоль в год; Тмоль = 1012 моль), которые соответствуют истории Земли«, — говорится в исследовании.
Все это происходит вокруг различных типов звезд главной последовательности, от F-типов до M-типов, причем предпочтение отдается звездам меньшей светимости, поскольку «низкие потоки звездного ультрафиолета благоприятствуют накоплению N2O», объясняют ученые. Они обнаружили различия в концентрации N2O на один-два порядка по сравнению с концентрацией на Земле! Не «бегство N2O», но достаточно, чтобы его можно было обнаружить в среднем инфракрасном диапазоне!
Согласно исследованию, оранжевые карликовые звезды K-типа или красные карликовые звезды M-типа благоприятствуют появлению высокой концентрации N2O и поддержанию этого уровня. Например, система Траппист-1, которая имеет ультрахолодный красный карлик в качестве звезды-хозяина и которую собирается исследовать космический телескоп Джеймс Уэбб! «В такой звездной системе, как Траппист-1, ближайшей и лучшей системе для наблюдения атмосфер каменистых планет, потенциально можно обнаружить оксид азота на уровне, сравнимом с CO2 или метаном«, — сказал Швитерман. Исследование, однако, предупреждает о ложных срабатываниях: сигнатуры, которые кажутся биологическими, но являются результатом абиотических процессов. Эти сигналы, заключают исследователи, «могут быть идентифицированы по соответствующему астрофизическому и планетарному контексту».