Биосигнату́ра (от — жизнь и — обозначение) — любое проявление последствий жизнедеятельности, научно доказывающее существование жизни в прошлом или настоящемBeaty Steele The Astrobiology Field Laboratory. — the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG) // — NASA. — P. 72.Summons R. E., Amend J. P., Bish D. L., Buick R., Cody G. D., Des Marais D. J., Dromart G., Eigenbrode J., Knoll A. H. and Sumner D. Y. 2011. Preservation of Martian Organic and Environmental Records: Final Report of the Mars Biosignature Working Group. // Astrobiology 11, 2011, pp.157-181..
Общее представление Существование жизни связано с образованием сложных физических и химических структур, равно как с переработкой энергии, производством биомассы и возникновением прочих продуктов жизнедеятельности. Все они, как правило, обладают уникальными характеристиками, позволяющими идентифицировать их как биосигнатуры. Однако, важно понимать, что их перечень нельзя рассматривать как исчерпывающий, поскольку нет возможности знать, какие из них являются универсальными для жизни вообще, а какие являются специфическими для условий жизни на ЗемлеCarol Cleland, Gamelyn Dykstra, Ben Pageler Philosophical Issues in Astrobiology. // NASA Astrobiology Institute, 2003.. Тем не менее, в соответствии с современными представлениями, жизненные формы являются уникальным источником некоторых проявлений, например, ДНК, которые могут быть использованы в качестве доказательства их присутствия в конкретном месте. Теоретически, поиск планет с биосигнатурами вполне возможен.
Биосигнатуры в геомикробиологии
Геологическая летопись демонстрирует много образцов различных доисторических биосигнатур, образовавшихся с момента зарождения жизни на Земле. Их изучением занят ряд смежных научных дисциплин, таких, например, как геомикробиология и геохимия. Обычно эти биосигнатуры представляют собойSignatures of life from Earth and beyond // Penn State Astrobiology Research Center (PSARC), 2009David Tenenbaum Reading Archaean Biosignatures // Astrobiology Magazine, NASA, July 30, 2008 : Фоссилии и строматолиты. Изотопы углерода, азота и водорода, находившиеся в органическом веществе. Значительные скопления изотопов металлов, участвующих в окислительно-восстановительных биологических процессах: например, железо, молибден, хром и редкоземельные элементы.
В качестве биосигнатур жизненные процессы могут оставлять после себя как нуклеиновые кислоты, липиды, белки, аминокислоты, кероген, так и материалы с различными морфологическими признаками, обнаруживаемые в горных породах и донных отложенияхLuther W. Beegle A Concept for NASA’s Mars 2016 Astrobiology Field Laboratory // Journal Astrobiology, August 2007, volume 7, issue 4, pp. 545—577.
Их выявление позволяет судить об обитателях прошлого. Например, некоторые жирные кислоты, обнаруженные в образцах, раскрывают типы бактерий и архей, живших в этой среде, а найденные жирные спирты указывают на существование планктонных бактерий.
Биосигнатуры в астробиологии
Астробиологические исследования основаны на допущении, что биосигнатуры, встречающиеся в космосе, будут распознаны как следы внеземной жизни. То есть предполагается, что они являются не только следствием жизнедеятельности, но и также не могут иметь не биологического происхожденияLynn Rothschild Understand the evolutionary mechanisms and environmental limits of life // NASA. September 2003. Примером таких биосигнатур могут стать сложные органические молекулы или структуры, формирование которых практически невозможно в отсутствии жизни. К ним относятся клеточные и внеклеточные формы, биогенные вещества в горных породах, биоорганические молекулярные структуры, хиральности, биогенные минералы, биогенные стабильные структуры изотопов в минералах и органических соединений, некоторые атмосферные газы, а также выявляемые удалённо, такие как фотосинтетическая пигментация и даже отложения магнетита или других железосодержащих минералов.
Подобные микроскопические кристаллы магнетита были обнаружены в марсианском метеорите ALH 84001, что вызвало значительный интерес, так как до недавнего времени считалось, что кристаллы такой специфической формы могут создаваться только бактериями. Этот же метеорит содержит включения похожие на известные микробные и клеточные окаменелости. Однако длительное обсуждение, в своём большинстве, склонилось к мнению, что они слишком малы для биосигнатур, а сама дискуссия усилила понимание важности однозначной идентификации происхождения подобных объектов.
Поиск биосигнатур на экзопланетах возможен только по спектральному анализу прохождения света в их атмосфере. В 2011 году было показано, что заметное количество диметилсульфида накапливается в атмосфере при условии низкой интенсивности ультрафиолетового излучения, а комбинация диметилсульфида с метаном и этаном может рассматриваться как биосигнатура. На Земле диметилсульфид и диметилдисульфид имеют исключительно биологическое происхождение: диметилсульфид в основном синтезируется морскими фитопланктоном и бактериями, а диметилдисульфид возникает при микробном разложении органических веществ и служит продуктом метаболизма разнообразных микроорганизмов. Неизвестны внебиологические процессы образования этих газов в значимых концентрациях.
В 2023 году диметилсульфид был выявлен в атмосфере экзопланеты K2-18 b. После привлечения внимания к вопросу рассмотрения диметилсульфида в качестве надёжной биосигнатуры, в разных исследованиях было показано, что диметилсульфид не обязательно имеет биологическое происхождение. В марте 2024 года его выявили в коме кометы Чурюмова-Герасименко. В сентябре 2024 года группа исследователей сообщила, что в лаборатории они получили диметилсульфид при освещении ультрафиолетом смеси газов, имитирующих атмосферу экзопланеты. В феврале 2025 года диметилсульфид обнаружен в межзвёздной среде.
В апреле 2025 года опубликованы результаты обработки дополнительных наблюдений другим прибором космического телескопа «Джеймс Уэбб», которые подтвердили наличие в атмосфере планеты K2-18 b значительного количества диметилсульфида. Команда исследователей утверждает, что ни естественные процессы в атмосфере экзопланеты, ни удары комет не могли бы создать столь большое количество диметилсульфида, которое они обнаружили.
Классификация биосигнатур Работа по каталогизации признаков жизни на Земле позволяет углубить понимание происхождения земной биосферы и способствует поиску живых организмов на других планетах. Выделяют биосигнатуры, обнаруживаемые in situ (на месте), и признаки, фиксируемые дистанционно.
Биосигнатуры для обнаружения in situ Эти признаки регистрируются спускаемыми аппаратами и планетоходами при непосредственном контакте с исследуемым объектом.
Визуальные биосигнатуры Активная жизнь. Современные микроорганизмы можно идентифицировать с помощью микроскопии по морфологическим признакам (размер около 1 мкм, наличие клеточной стенки/мембраны, образование цепочек) и активности (движение, размножение). Для подтверждения живой природы структур часто требуется окрашивание флуоресцентными красителями. Окаменелости. Древние макроскопические останки (скелеты, отпечатки растений) являются надёжным свидетельством жизни, но их нахождение за пределами Земли маловероятно. Микрофоссилии (микроскопические окаменелости) интерпретировать сложнее: существуют споры относительно биогенности структур в кремнеземных породах Апекс (Австралия, возраст ~3,5 млрд лет). Следы жизнедеятельности. К ним относятся строматолиты (слоистые структуры, образованные микробными матами) и ископаемые следы (норы, сверления). Примером служат микроскопические туннели (эндолитические сверления) в породах зеленокаменного пояса Барбертон (ЮАР) и кратона Пилбара (Австралия). Однако подобные структуры могут иметь и абиотическое происхождение, требующее дополнительной верификации.
Химические биосигнатуры Молекулярные ископаемые. Биомолекулы (липиды, белки, нуклеиновые кислоты) быстро разрушаются, но продукты их распада (диагенеза) — «молекулярные ископаемые», такие как гопаны, — могут сохраняться длительное время в осадочных породах. Хиральность. Биологические молекулы обладают гомохиральностью (преобладанием одного энантиомера): земная жизнь использует L-аминокислоты и D-сахара. Рацемическая смесь (равное соотношение изомеров) указывает на абиогенное происхождение или длительный период после гибели организма. Изотопное фракционирование. Ферментативные процессы предпочтительно используют легкие стабильные изотопы (например, ¹²C вместо ¹³C), что приводит к изменению изотопных соотношений в органическом веществе по сравнению с окружающей средой. Отрицательные значения δ¹³C считаются индикатором биогенного синтеза, хотя абиотические процессы (например, гидротермальные) могут имитировать этот эффект. Химическое неравновесие. Живые организмы поддерживают термодинамически или кинетически маловероятные градиенты концентраций веществ (например, окислительно-восстановительных пар), которые быстро исчезли бы без постоянного биологического воздействия. Биоминералы. Некоторые минералы (магнетит, карбонаты) образуются в результате деятельности организмов. Дискуссия вокруг метеорита ALH84001 связана со схожестью обнаруженных в нем кристаллов магнетита с продуктами магнетотактических бактерий (бактерий, способных ориентироваться по геомагнитному полю Земли), однако позже была доказана возможность их абиогенного синтеза.
Методы инструментального анализа in situ Для поиска биосигнатур на поверхности планет применяются методы, адаптированные для работы в автономном режиме:
Масс-спектрометрия (МС) и ГХ-МС. Позволяют определять молекулярный и изотопный состав образцов. Газовая хроматография (ГХ) разделяет смесь веществ перед подачей в масс-спектрометр. Примером служит прибор SAM на марсоходе Curiosity. Рамановская спектроскопия. Идентифицирует молекулы (включая пигменты и минералы) по неупругому рассеянию лазерного излучения. Метод не требует пробоподготовки. Иммуноанализ. Использование антител (на биочипах) для специфического связывания с целевыми молекулами. Метод обладает высокой чувствительностью, но ограничен поиском соединений, схожих с земными. Флуоресценция. Обнаружение автофлуоресценции органических молекул (ПАУ, триптофан, хлорофилл) или использование флуоресцентных меток под воздействием УФ-излучения.
Основными препятствиями для сохранения биосигнатур на поверхности Марса являются УФ-излучение, окислители (перхлораты) и космическая радиация. Интерпретация данных экспериментальных установок, например миссии «Викинг» (LAb), остается предметом дискуссий: окислительные процессы могут имитировать или маскировать биологическую активность.
Дистанционное обнаружение биосигнатур Астрономические наблюдения позволяют анализировать состав атмосфер и поверхности экзопланет и тел Солнечной системы.
Спектроскопия. Основана на поглощении или испускании света молекулами на определённых длинах волн. ИК-спектры позволяют выявить воду, углекислый газ, метан и озон. Атмосферное неравновесие. Одновременное присутствие окислителя (O₂) и восстановителя (CH₄) в атмосфере считается сильным признаком жизни, так как эти газы быстро реагируют друг с другом и требуют постоянного восполнения. Однако необходимо исключать абиотические источники (фотолиз воды, геологическая активность) и учитывать спектральный класс звезды. Поверхностные биосигнатуры. Растительность на Земле имеет характерный спектральный признак — «красный край» (резкое увеличение отражения в ближнем ИК-диапазоне около 700 нм). Транзитная спектроскопия. Изучение света звезды, проходящего через атмосферу планеты во время транзита, позволяет определить ее химический состав. Ожидается, что телескоп JWST сможет выявлять биомаркеры в атмосферах экзопланет.
Поиск разумной жизни (SETI) Методы поиска технологически развитых цивилизаций (техносигнатуры) включают:
Мониторинг радиосигналов (включая единичный не подтверждённый сигнал «Wow!» 1977 года). Поиск оптических лазерных импульсов.