Астробиоло́гия (экзобиоло́гия) — научная дисциплина, рассматривающая возможность появления, эволюции и сохранения жизни на других планетах во Вселенной. Астробиология опирается на научные достижения в области физики, химии, астрономии, биологии, экологии, планетологии, географии, геологии и космонавтики для исследования возможности существования внеземной жизни. В решении некоторых задач астробиология тесно соприкасается с космической биологией и космической медициной, возникшими в связи с активным проникновением человека в космическое пространство. Астробиология осуществляет поиск пригодной для жизни среды обитания как в Солнечной системе, так и за её пределами, поиск доказательств предбиотической химии, лабораторные и практические исследования происхождения и раннего развития жизни на Земле, а также исследования потенциальных возможностей жизни в части приспособления к сложным условиям на Земле и в космосе.
Издаётся научный журнал «Astrobiology».
Обзор
Термин астробиология впервые был предложен советским астрономом Г. А. Тиховым в 1953 году. Он образован от древнегреческих слов «астрон» () — «звезда», «биос» () — «жизнь» и «логия» () — «учение». Есть различные синонимы термина «астробиология», однако все они включают две основные науки: астрономию и биологию. Термин-синоним «экзобиология» произошёл от греческого экзо () — «вне, снаружи», биос () — «жизнь» и логия () — «учение». Другой термин, использовавшийся в прошлом — ксенобиология, то есть «биология иноземцев». Это слово было придумано в 1954 году писателем-фантастом Робертом Хайнлайном в его романе «Звёздный зверь».
Вопрос «существует ли жизнь где-то ещё во Вселенной», является поддающейся проверке гипотезой и, таким образом, эффективным направлением научных исследований. В настоящее время астробиология стала формализованной областью исследований, хотя когда-то находилась в стороне от основных научных изысканий. Интерес НАСА к астробиологии начался с разработки Космической программы. В 1959 году НАСА профинансировало свой первый проект по экзобиологии, а в 1960 году создало Программу изучения экзобиологии. В 1971 году НАСА профинансировало проект (SETI) по поиску радиосигналов внеземных цивилизаций. Программа «Викинг», начатая в 1976 году, включала три биологических эксперимента, разработанных для поиска возможных признаков существования жизни на Марсе. Научный аппарат Mars Pathfinder, приземлившийся в 1997 году, содержал научный груз, предназначенный для обнаружения микробных окаменелостей, заключённых в камнях .
В XXI веке астробиология становится центром растущего числа исследовательских миссий НАСА и Европейского космического агентства в Солнечной системе. Первый европейский семинар по астробиологии состоялся в мае 2001 года в Италии, результатом которого стала Программа Аврора. В настоящее время НАСА курирует . Всё большее число университетов во всём мире вводят программы обучения по теме астробиологии. В Соединённых Штатах это Аризонский университет, университет Пенсильвании, университет штата Монтана и Вашингтонский университет; в Великобритании университет Кардиффа (создан Центр астробиологии)CASE Undergraduate Degrees , в Австралии Университет Нового Южного Уэльса. В России Постановлением Президиума Российской академии наук от 23.11.2010 организован Научный совет РАН по астробиологии.
Достижения в области астробиологии, наблюдательной астрономии и открытие большого разнообразия экстремофилов, обладающих способностью к существованию в самых суровых условиях на Земле, привели к предположению, что жизнь может процветать на многих планетах и спутниках во Вселенной. Особое внимание текущих астробиологических исследований уделяется поиску жизни на Марсе из-за его близости к Земле и геологической истории. Существует всё больше свидетельств, что ранее на поверхности Марса имелось значительное количество воды, которая рассматривается в качестве важнейшего предшественника развития жизни на основе углерода.
Миссиями, разработанными специально для поиска жизни, были Программа «Викинг» и посадочный модуль «Бигль 2», направленные к Марсу. Основной вывод, который можно сделать по результатам работы «Викингов»: либо количество микроорганизмов в местах посадок аппаратов ничтожно мало, либо их нет вообще. Посадочный модуль «Бигль 2» предположительно приземлился удачно, но на связь не вышел. Основной причиной выхода из строя признан отказ оборудования связи. Значительную роль в астробиологии должна была сыграть миссия Jupiter Icy Moons Orbiter, предназначенная для исследования ледяных спутников Юпитера, однако она была отменена. В 2008 году посадочный модуль «Феникс» исследовал марсианский грунт на наличие следов микробной жизни, а также присутствие воды. Главным научным результатом миссии стало обнаружение льда под тонким слоем грунта, а также его химический анализ.
В ноябре 2011 года НАСА запустила марсоход Curiosity, который продолжит поиски следов жизни на Марсе. Европейское космическое агентство разрабатывает марсоход ExoMars, который планируется к запуску в 2022 году.
Международный астрономический союз (МАС) регулярно проводит крупные международные конференции посредством Комиссии 51 «Биоастрономия: поиск внеземной жизни», которая была создана МАС в 1982 году для координации работ в области поиска жизни и разума во Вселенной и в настоящее время функционирует на базе Института астрономии при Университете Гавайев.
Методология
Сужение задачи
Для поиска жизни на других планетах необходимо уменьшить размер задачи, для чего используются различные предположения. Первое состоит в том, что подавляющее большинство форм жизни в нашей Галактике основано на углеродной химии, как и все формы жизни на Земле. Хотя не отрицается возможность существования неуглеродных формы жизни. Предположение основано на том, что углерод является четвёртым по распространённости элементом во Вселенной, а также позволяет формировать большое разнообразие молекул вокруг себя. Способность атомов углерода легко связываться друг с другом позволяет создавать сколь угодно длинные и сложные молекулы.
Следующее предположение — наличие воды в жидком состоянии. Вода является распространённым веществом, которое необходимо для формирования сложных углеродных соединений, которые, в конечном счёте, могут привести к появлению жизни. Некоторые исследователи предлагают также рассматривать среду аммиака или водно-аммиачных смесей, поскольку она обеспечивает больший диапазон температур для жизни и, таким образом, расширяет количество потенциальных миров. Эту среду считают подходящей как для углеродной, так и для неуглеродной жизни.
Третье предположение: поиск звёзд подобных Солнцу. Очень большие звёзды имеют относительно малое время жизни, что, в свою очередь, означает, что у жизни не будет достаточно времени для развития на планетах, вращающихся вокруг таких звёзд. Очень маленькие звёзды выделяют так мало тепла, что планеты смогут иметь воду в жидком состоянии, находясь только на очень близких орбитах. Но при этом планеты будут захвачены приливными силами звезды. Без толстого слоя атмосферы одна сторона планеты будет постоянно нагрета, а другая заморожена. Однако в 2005 году вопрос жизнепригодности планет вокруг красных карликов был снова поднят на повестку дня научного сообщества, поскольку длительное время существования красных карликов (до 10 триллионов лет) может допускать наличие жизни на планетах с плотной атмосферой. Это имеет большое значение, поскольку красные карлики очень распространены во Вселенной. (См. Жизнепригодность системы красного карлика). По оценкам учёных около 10 % звёзд в нашей Галактике по своим характеристикам подобны Солнцу, а в радиусе 100 световых лет от нас находится около тысячи таких звёзд. Их планетные системы, вероятнее всего, будут основной целью при поиске жизни.
Поскольку Земля является единственной планетой, на которой достоверно известно наличие жизни, то не представляется возможным узнать, корректны ли принятые предположения или нет.
Составные части астробиологии
Астрономия
Большинство связанных с астрономией астробиологических исследований относится к обнаружению планет за пределами Солнечной системы (экзопланет). Основная предпосылка состоит в том, что если жизнь возникла на Земле, то она могла возникнуть и на других планетах с аналогичными характеристиками. В связи с этим в стадии проработки находится большое количество проектов, предназначенных для обнаружения экзопланет, подобных Земле. В первую очередь это программы НАСА Terrestrial Planet Finder (TPF) и ATLAST, а также программа Darwin Европейского космического агентства. Существуют также менее амбициозные проекты, в которых предполагается использование наземных телескопов. Кроме того, НАСА уже запустило миссию Кеплер в марте 2009 года, а Французское космическое агентство — спутник COROT в 2006 году. Целью планируемых миссий является не только обнаружение планет размером с Землю, но и непосредственное наблюдение света от планеты для дальнейшего спектроскопического изучения. Исследуя спектры планет, можно определить основной состав атмосферы экзопланеты и/или её поверхности. Получив такую информацию можно оценить вероятность наличия жизни на планете. Исследовательская группа НАСА — Лаборатория виртуальных планет использует компьютерное моделирование для создания разнообразных виртуальных планет, чтобы понять, как они будут выглядеть при наблюдении Дарвином или TPF. Когда эти миссии начнут сбор данных, полученные спектры планет могут быть сверены со спектрами виртуальных планет в части характеристик, которые могут указывать на наличие жизни. Изменение фотометрии экзопланеты также может дать дополнительную информацию о свойствах поверхности и атмосферы планеты.
Оценить число планет с разумной жизнью можно с помощью уравнения Дрейка. Уравнение определяет вероятность наличия разумной жизни как произведение таких параметров, как количество планет, которые могут быть обитаемыми и количество планет, на которых может возникнуть жизнь:
, где N — количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт; R* — число ежегодно образующихся звёзд (звёзд подобных Солнцу); fp — доля звёзд, обладающих планетами; ne — среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации; fl — вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями; fi — вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь; fc — отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь;L — время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна вступить в контакт и хочет вступить в контакт).
Однако на данный момент это уравнение обосновано лишь теоретически и маловероятно, что уравнение будет ограничено разумными пределами погрешности в ближайшее время. Первый множитель R определяется из астрономических измерений и является наименее обсуждаемой величиной. По второму и третьему множителям (звёзды с планетами и планеты с подходящими условиями) в настоящее время идёт активный сбор данных. Остальные параметры основаны исключительно на предположениях. Проблема формулы в том, что она не сможет использоваться для создания гипотезы, поскольку содержит параметры, которые не могут быть проверены. Другая связанная тема — парадокс Ферми, который предполагает, что если разумная жизнь распространена во Вселенной, то должны существовать явные признаки этого. На этом парадоксе основаны такие проекты как SETI, которые пытаются обнаружить радиосигналы от разумных внеземных цивилизаций.
Другая область активных исследований в астробиологии — изучение формирования планетной системы. Было высказано предположение, что особенности нашей Солнечной системы (например, присутствие Юпитера, защищающего её внутренние области) могли значительно увеличить вероятность развития разумной жизни на нашей планете. Но окончательные выводы до сих пор не сделаны.
Биология