Коротко — наиболее достоверными признаками жизни считаю сочетания газовых маркеров и контекстные данные, которые вместе исключают правдоподобные абиотические источники. Ниже — список таких биосигнатур и какие наблюдения нужны, чтобы отвергнуть абиогенные объяснения.
1) Красное окислительно-восстановительное неравновесие (главный «золотой» признак)
- Пример: одновременное наличие кислорода/озона и восстановленных углеводородов (O2/O3 + CH4) в атмосфере. На Земле $O_2\approx 0.21$ по объёму и $C{H}_4\sim 1.8\times 10^{-6}$.
- Почему сигнификантно: такие смеси быстро реагируют и требуют постоянного источника.
- Аббиотические сомнения: фотолиз воды с уходом водорода (водная потеря) может накапливать O2; фотолиз CO2 может давать O2+CO.
- Нужные подтверждения для исключения абиотики:
- измерить наличие CO и CO2: значительная доля CO вместе с O2 указывает на фотолиз CO2 (абиотика);
- измерить контент воды (H2O): если атмосфера сухая — O2 может быть результатом водного разложения и потери водорода;
- оценить историю и UV/XUV излучение звезды (высокая ранняя XUV может вызвать водную потерю);
- получить вертикальный профиль газов (чтобы показать источник и скорости удаления) и просторные концентрации CH4, сравнить с ожидаемыми абиотическими потоками.
2) N2O (озон- и азотосодержащая молекула)
- Почему: на Земле N2O преимущественно биогенный; абиогенные пути малоэффективны.
- Аббиотические сомнения: возможна термическая или молекулярная азотная химия при вулканизме/метеоритах, но это редкость.
- Подтверждения:
- детекция спектральных полос N2O в инфракрасной с хорошим S/N;
- проверка отсутствия сильных вулканических маркеров (SO2, H2S) в концентрациях, которые могли бы объяснить N2O;
- оценка температурно-давленных условий, при которых абиогенная продукция N2O возможна.
3) Высокие концентрации восстановителей в окислительной атмосфере (и наоборот)
- Пример: поддержание CH4 на уровнях ppm рядом с большим O2 — требует биологического источника.
- Подтверждение: как для пункта 1 — исключить гидротермальные и серпентинные источники, измерить H2, CO, SO2, а также поток тепла/вулканизма.
4) Сезонная и временная вариабельность газов и поверхности
- Почему: биологические циклы (сезонные) дают повторяющиеся изменения (например, у растений изменяется альбедо, газообмен).
- Подтверждения:
- многолетние временные наблюдения газовых микш-отношений (сезонные циклы CH4, CO2, O2);
- синхронизация изменений с температурой/фазой орбиты;
- исключение геофизических циклов (вулканические эпизоды), для чего нужны наблюдения SO2, теплового излучения и краткосрочных всплесков.
5) Органические газы, маловероятные как абиогенные (например, метилхлорид, DMS, сложные летучие органические вещества)
- Почему: для многих таких молекул известны преимущественно биогенные пути.
- Подтверждения:
- совместная детекция множества таких молекул;
- исключение химических путей в восстановленной мантии (требует данных о составе и наличии H2);
- спектроскопия с высоким разрешением, поиск изотопных признаков.
6) Изотопные соотношения
- Почему: биологические процессы фундируют выраженные изотопные фракционирования (например, ${\delta }^{13}C$, D/H).
- Подтверждения:
- высокоразрешающая спектроскопия для изотопных линий (трудно, но мощный аргумент);
- сравнение с изотопиями матери-установки и метеоритного состава планеты.
7) Контекст — наличие жидкой воды и подходящего климата
- Наличие H2O в паровой фазе и данные о давлении/температуре: поиск следов океана (блеск/«glint»), фазы излучения, профиль температуры.
- Подтверждение жизни слабее без воды: поэтому детекция H2O существенно повышает достоверность.
Практическая программа наблюдений (что нужно измерить)
- широкополосная спектроскопия от UV до IR (чтобы видеть O3/O2 в UV/vis, H2O/CO2/CH4/N2O/CO в IR);
- измерение CO: его присутствие при O2 — сильный индикатор абиотического O2;
- поиск SO2, H2S, H2 — маркеры вулканизма/восстановленного режима;
- оценка давления/температуры (из линий давления, ширины линий и столкновительных эффектов);
- исследование активности и истории звезды (XUV/факел активности);
- временные наблюдения для поиска сезонности и вариабельности;
- при возможности — высокое разрешение для изотопов.
Краткий вывод: одиночная детекция одного газа (включая только O2 или только CH4) недостаточна. Надёжная индикация жизни на супер-Земле требует комбинации: 1) красного окислительно-восстановительного неравновесия (например, O2/O3 + CH4) или обнаружения молекул с маловероятной абиогенной продукцией (N2O, специфические летучие органики), и 2) контекстных данных — H2O, отсутствие абиогенных источников (CO, сильный вулканизм, сухость планеты), профиль атмосферы и история излучения звезды.