Možnost življenja na vodnih planetih

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Večina planetov, ki jih poznamo, je večja od Zemlje, vendar manjša od Saturna. Najpogosteje so med njimi "mini-neptuni" in "super-zemlje" - predmeti, ki so nekajkrat večji od našega planeta. Odkritja zadnjih let dajejo vedno več razlogov za domnevo, da so super-Zemlje planeti, katerih sestava se zelo razlikuje od naše. Poleg tega se je izkazalo, da se zemeljski planeti v drugih sistemih verjetno razlikujejo od Zemlje v veliko bogatejših svetlobnih elementih in spojinah, vključno z vodo. In to je dober razlog, da se vprašamo, kako so primerni za življenje.

Omenjene razlike med nekdanjo Zemljo in Zemljo pojasnjujejo z dejstvom, da so tri četrtine vseh zvezd v vesolju rdeče pritlikavke, svetilke, ki so veliko manj masivne od Sonca. Opazovanja kažejo, da so planeti okoli njih pogosto v bivalnem območju – torej tam, kjer od svoje zvezde prejemajo približno enako energijo kot Zemlja od Sonca. Poleg tega je v bivalnem območju rdečih pritlikavk pogosto izjemno veliko planetov: v "pasu Zlatolaska" zvezde TRAPPIST-1 so na primer trije planeti hkrati.

In to je zelo čudno. Bivalno območje rdečih pritlikavk leži v milijonih kilometrov od zvezde in ne 150-225 milijonov, kot v sončnem sistemu. Medtem se več planetov hkrati ne more oblikovati v milijonih kilometrov od svoje zvezde - velikost njegovega protoplanetarnega diska ne dopušča. Ja, rdeči škrat ga ima manj kot rumeni, kot naše Sonce, vendar ne sto ali celo petdesetkrat.

Situacijo še dodatno zaplete dejstvo, da so se astronomi naučili bolj ali manj natančno »tehtati« planete v oddaljenih zvezdah. In potem se je izkazalo, da če povežemo njihovo maso in velikost, se izkaže, da je gostota takšnih planetov dva ali celo trikrat manjša od zemeljske. In to je načeloma nemogoče, če bi se ti planeti oblikovali v milijonih kilometrov od svoje zvezde. Kajti pri tako tesni razporeditvi naj bi sevanje svetilke večino svetlobnih elementov dobesedno potisnilo navzven.

Točno to se je na primer zgodilo v sončnem sistemu. Poglejmo si Zemljo: nastala je v bivalnem območju, vendar voda v svoji masi ni večja od tisočinke. Če je gostota številnih svetov v rdečih pritlikavkah dva do trikrat nižja, potem je vode tam nič manj kot 10 odstotkov ali celo več. To je stokrat več kot na Zemlji. Posledično so nastali izven bivalnega območja in se šele nato tja preselili. Zvezdno sevanje zlahka odvzame svetlobne elemente območij protoplanetarnega diska blizu svetilke. Toda veliko težje je že pripravljen planet, ki se je preselil iz oddaljenega dela protoplanetarnega diska, odvzeti svetlobnih elementov - tam so spodnje plasti zaščitene z zgornjimi. In izguba vode je neizogibno precej počasna. Tipična super-zemlja v bivalnem območju ne bo mogla izgubiti niti polovice vode in v času celotnega obstoja, na primer, sončnega sistema.

Torej imajo najbolj masivne zvezde v vesolju pogosto planete, v katerih je veliko vode. To najverjetneje pomeni, da je takšnih planetov veliko več kot takih, kot je Zemlja. Zato bi bilo dobro ugotoviti, ali na takih mestih obstaja možnost nastanka in razvoja kompleksnega življenja.

Potrebujete več mineralov

In tu se začnejo velike težave. V sončnem sistemu ni bližnjih analogov super-zemelj z veliko količino vode in v odsotnosti primerov, ki so na voljo za opazovanje, planetarni znanstveniki dobesedno nimajo od česa začeti. Pogledati moramo fazni diagram vode in ugotoviti, kakšni bodo parametri za različne plasti oceanidnih planetov.

Fazni diagram stanja vode. Modifikacije ledu so označene z rimskimi številkami. Skoraj ves led na Zemlji spada v skupino I_h, in zelo majhen delež (v zgornji atmosferi) - do I_c… Slika: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Izkazalo se je, da če je na planetu velikosti Zemlje 540-krat več vode kot pri nas, ga bo popolnoma prekril ocean več kot sto kilometrov globok. Na dnu takšnih oceanov bo pritisk tako velik, da bo tam začel nastajati led takšne faze, ki ostane trden tudi pri zelo visokih temperaturah, saj se voda zaradi ogromnega pritiska drži trdno.

Če je dno planetarnega oceana prekrito z debelo plastjo ledu, bo tekoča voda prikrajšana za stik s trdnimi silikatnimi kamninami. Brez takega stika minerali v njej pravzaprav ne bodo imeli od kod. Še huje, cikel ogljika bo moten.

Začnimo z minerali. Brez fosforja življenje - v oblikah, ki jih poznamo - ne more biti, saj brez njega ni nukleotidov in s tem tudi DNK. Brez kalcija bo težko – naše kosti so na primer sestavljene iz hidroksilapatita, ki pa ne more brez fosforja in kalcija. Na Zemlji se včasih pojavijo težave z razpoložljivostjo določenih elementov. Na primer, v Avstraliji in Severni Ameriki je bilo v številnih krajih nenormalno dolgo odsotnost vulkanske aktivnosti, v tleh pa ponekod močno primanjkuje selena (je del ene od aminokislin, potrebnih za življenje). Zaradi tega kravam, ovcam in kozam primanjkuje selena, včasih pa to vodi v pogin živine (dodajanje selenita živinski krmi v ZDA in Kanadi je celo zakonsko urejeno).

Nekateri raziskovalci menijo, da bi moral zgolj dejavnik razpoložljivosti mineralov narediti oceane-planete prave biološke puščave, kjer je življenje, če obstaja, izjemno redko. In preprosto ne govorimo o res zapletenih oblikah.

Zlomljena klimatska naprava

Poleg pomanjkanja mineralov so teoretiki odkrili še drugi potencialni problem planetov-oceanov – morda celo pomembnejši od prvega. Govorimo o okvarah v ogljikovem ciklu. Na našem planetu je on glavni razlog za obstoj razmeroma stabilnega podnebja. Načelo cikla ogljika je preprosto: ko planet postane premražen, se absorpcija ogljikovega dioksida s kamninami močno upočasni (proces takšne absorpcije poteka hitro le v toplem okolju). Hkrati pa z enakim tempom potekajo »zaloge« ogljikovega dioksida z vulkanskimi izbruhi. Ko se vezava plina zmanjša in oskrba ne zmanjša, se koncentracija CO₂ naravno dvigne. Planeti so, kot veste, v vakuumu medplanetarnega prostora in edini pomemben način izgube toplote zanje je njeno sevanje v obliki infrardečih valov. Ogljikov dioksid absorbira takšno sevanje s površine planeta, zato je ozračje rahlo segreto. Ta izhlapi vodno paro z vodne površine oceanov, ki absorbira tudi infrardeče sevanje (še en toplogredni plin). Posledično je CO₂ tisti, ki deluje kot glavni iniciator v procesu segrevanja planeta.

Prav ta mehanizem vodi v dejstvo, da se ledeniki na Zemlji slej ko prej končajo. Prav tako ne dovoli, da bi se pregrel: pri previsokih temperaturah se ogljikov dioksid hitreje veže na kamnine, nato pa se zaradi tektonike plošč zemeljske skorje postopoma potopijo v plašč. raven CO₂pada in podnebje postane hladnejše.

Pomen tega mehanizma za naš planet je težko preceniti. Predstavljajte si za sekundo okvaro ogljikove klimatske naprave: recimo, vulkani so nehali izbruhniti in ne dovajajo več ogljikovega dioksida iz črevesja Zemlje, ki se je nekoč tja spustil s starimi celinskimi ploščami. Že prva poledenitev bo dobesedno postala večna, saj več ko je ledu na planetu, več sončnega sevanja odbija v vesolje. In nov del CO₂ planeta ne bo mogel odmrzniti: ne bo imel od kod priti.

Točno tako bi moralo biti v teoriji na planetih-oceanih. Tudi če lahko vulkanska dejavnost včasih prebije lupino eksotičnega ledu na dnu planetarnega oceana, je v tem malo dobrega. Dejansko na površju morskega sveta preprosto ni kamnin, ki bi lahko nase vezale presežek ogljikovega dioksida. To pomeni, da se lahko začne njegovo nenadzorovano kopičenje in s tem pregrevanje planeta.

Nekaj podobnega - res, brez planetarnega oceana - se je zgodilo na Veneri. Tudi na tem planetu ni tektonike plošč, čeprav zakaj se je to zgodilo, v resnici ni znano. Zato tamkajšnji vulkanski izbruhi, ki se včasih prebijejo skozi skorjo, vnesejo v ozračje veliko ogljikovega dioksida, vendar ga površina ne more vezati: celinske plošče se ne pogrezajo in nove se ne dvignejo. Zato je površina obstoječih plošč že vezala ves CO₂, ki bi lahko in ne more absorbirati več, in na Veneri je tako vroče, da bo svinec tam vedno ostal tekočina. In to kljub dejstvu, da bi bil po modeliranju z zemeljsko atmosfero in ogljikovim ciklom ta planet bivalni dvojček Zemlje.

Ali obstaja življenje brez klimatske naprave?

Kritiki "zemeljskega šovinizma" (stališče, da je življenje možno le na "kopijama Zemlje", planetih s strogo zemeljskimi pogoji) so takoj postavili vprašanje: zakaj so se pravzaprav vsi odločili, da se minerali ne bodo mogli prebiti skozi plast eksotičnega ledu? Močnejši in neprepustnejši ko je pokrov nad nečim vročim, več energije se nabira pod njim, ki se nagiba k izbruhu. Tukaj je ista Venera - zdi se, da tektonika plošč ne obstaja, ogljikov dioksid pa je iz globin pobegnil v takih količinah, da iz njega ni življenja v dobesednem pomenu besede. Posledično je enako mogoče z odstranjevanjem mineralov navzgor - trdne kamnine med vulkanskimi izbruhi popolnoma padajo navzgor.

Kljub temu ostaja še en problem - "pokvarjena klimatska naprava" ogljikovega cikla. Ali je oceanski planet lahko bival brez njega?

V sončnem sistemu je veliko teles, na katerih ogljikov dioksid sploh ne igra vloge glavnega regulatorja podnebja. Tukaj je recimo Titan, velika Saturnova luna.

titan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Univerza v Nantesu, Virginia Pasek, Univerza v Arizoni

Telo je v primerjavi z maso Zemlje zanemarljivo. Vendar je nastala daleč od Sonca in sevanje svetilke ni "izhlapevalo" iz nje svetlobnih elementov, vključno z dušikom. To daje Titanu ozračje skoraj čistega dušika, istega plina, ki prevladuje na našem planetu. Toda gostota njegove dušikove atmosfere je štirikrat večja od naše - z gravitacijo je sedemkrat šibkejša.

Že na prvi pogled na Titanovo klimo je vztrajen občutek, da je izjemno stabilen, čeprav v neposredni obliki »karbonske« klimatske naprave ni. Dovolj je reči, da je temperaturna razlika med polom in ekvatorjem Titana le tri stopinje. Če bi bila situacija enaka na Zemlji, bi bil planet veliko bolj enakomerno poseljen in na splošno bolj primeren za življenje.

Poleg tega so izračuni številnih znanstvenih skupin pokazali: z gostoto atmosfere, ki je petkrat višja od gostote Zemlje, torej za četrtino več kot na Titanu, je celo učinek tople grede samega dušika povsem dovolj, da se temperaturna nihanja zmanjšajo. na skoraj nič. Na takšnem planetu bi bila podnevi in ponoči, tako na ekvatorju kot na polu, temperatura vedno enaka. Zemeljsko življenje lahko o tem le sanja.

Planeti-oceani so po svoji gostoti ravno na ravni Titana (1,88 g / cm ³) in ne Zemlje (5, 51 g / cm ³). Recimo, da imajo trije planeti v bivalnem območju TRAPPIST-1 40 svetlobnih let od nas gostoto od 1,71 do 2,18 g / cm³. Z drugimi besedami, najverjetneje imajo takšni planeti več kot zadostno gostoto dušikove atmosfere, da imajo samo zaradi dušika stabilno podnebje. Ogljikov dioksid jih ne more spremeniti v vročo Venero, saj lahko res velika masa vode veže veliko ogljikovega dioksida tudi brez tektonike plošč (voda absorbira ogljikov dioksid in višji kot je tlak, več ga lahko vsebuje).

Globokomorske puščave

S hipotetičnimi nezemeljskimi bakterijami in arhejami se zdi vse preprosto: lahko živijo v zelo težkih razmerah in za to sploh ne potrebujejo obilice številnih kemičnih elementov. Težje je z rastlinami in visoko organiziranim življenjem, ki živijo na njihov račun.

Torej imajo oceanski planeti lahko stabilno podnebje – zelo verjetno bolj stabilno kot Zemlja. Možno je tudi, da je v vodi raztopljenih opazna količina mineralov. Pa vendar tam življenje sploh ni pustno.

Oglejmo si Zemljo. Razen zadnjih milijonov let je njegova zemlja izjemno zelena, skoraj brez rjavih ali rumenih lis puščav. Toda ocean sploh ni videti zelen, razen nekaterih ozkih obalnih območij. zakaj je tako?

Stvar je v tem, da je ocean na našem planetu biološka puščava. Življenje potrebuje ogljikov dioksid: "gradi" rastlinsko biomaso in samo iz njega se lahko hrani živalska biomasa. Če je v zraku okoli nas CO₂ več kot 400 ppm kot je zdaj, vegetacija cveti. Če bi bilo manj kot 150 delov na milijon, bi vsa drevesa umrla (in to bi se lahko zgodilo čez milijardo let). Z manj kot 10 deli CO₂ na milijon bi vse rastline na splošno odmrle in z njimi vse res zapletene oblike življenja.

Na prvi pogled bi to moralo pomeniti, da je morje pravo prostranstvo za življenje. Dejansko zemeljski oceani vsebujejo stokrat več ogljikovega dioksida kot atmosfera. Zato bi moralo biti veliko gradbenega materiala za rastline.

Pravzaprav nič ni dlje od resnice. Voda v zemeljskih oceanih je 1,35 kvintilijona (milijarde milijard) ton, ozračje pa nekaj več kot pet kvadrilijonov (milijonov milijard) ton. To pomeni, da je CO v toni vode opazno manj.₂kot tona zraka. Vodne rastline v zemeljskih oceanih imajo skoraj vedno veliko manj CO₂ na voljo kot kopenski.

Da je stvar še hujša, imajo vodne rastline dobro stopnjo metabolizma le v topli vodi. V njem je namreč CO₂ še najmanj, ker se njegova topnost v vodi z naraščanjem temperature zmanjšuje. Zato alge - v primerjavi s kopenskimi rastlinami - obstajajo v pogojih stalnega ogromnega pomanjkanja CO.₂.

Zato poskusi znanstvenikov, da bi izračunali biomaso kopenskih organizmov, kažejo, da morje, ki zavzema dve tretjini planeta, k skupni biomasi prispeva nepomemben prispevek. Če vzamemo skupno maso ogljika - ključnega materiala v suhi masi katerega koli živega bitja - prebivalcev zemlje, potem je enaka 544 milijard ton. In v telesih prebivalcev morij in oceanov - le šest milijard ton, drobtine z mojstrove mize, nekaj več kot odstotek.

Vse to lahko vodi do mnenja, da čeprav je življenje na planetih-oceanih možno, bo zelo, zelo grdo. Biomasa Zemlje, če bi jo ob vseh drugih enakih pogojih prekrival en ocean, bi bila glede na suh ogljik le 10 milijard ton - petdesetkrat manj kot je zdaj.

Vendar je tudi tukaj še prezgodaj, da bi naredili konec vodnim svetom. Dejstvo je, da že pri tlaku dveh atmosfer količina CO₂, ki se lahko raztopi v morski vodi, se več kot podvoji (pri temperaturi 25 stopinj). Z atmosfero, ki je štiri do petkrat gostejša od zemeljske – in prav to bi pričakovali na planetih, kot so TRAPPIST-1e, g in f – je lahko v vodi toliko ogljikovega dioksida, da se bo voda lokalnih oceanov začela približevati zemeljskega zraka. Z drugimi besedami, vodne rastline na planetih in oceanih se znajdejo v veliko boljših razmerah kot na našem planetu. In kjer je več zelene biomase in imajo živali boljšo prehransko bazo. To pomeni, da za razliko od Zemlje morja planetov-oceanov morda niso puščave, ampak oaze življenja.

Sargasovi planeti

Toda kaj storiti, če ima oceanski planet zaradi nesporazuma še vedno gostoto Zemljine atmosfere? In tukaj ni vse tako slabo. Na Zemlji se alge navadno pritrdijo na dno, a tam, kjer za to ni pogojev, se izkaže, da lahko vodne rastline plavajo.

Nekatere alge sargass uporabljajo vrečke, napolnjene z zrakom (spominjajo na grozdje, od tod portugalska beseda "sargasso" v imenu Sargaškega morja), da zagotovijo plovnost, in teoretično vam to omogoča, da vzamete CO₂ iz zraka in ne iz vode, kjer je malo. Zaradi svoje plovnosti lažje opravljajo fotosintezo. Res je, da se takšne alge dobro razmnožujejo le pri precej visokih temperaturah vode, zato so na Zemlji razmeroma dobre le ponekod, na primer v Sargaškem morju, kjer je voda zelo topla. Če je oceanski planet dovolj topel, potem tudi gostota zemeljske atmosfere ni nepremostljiva ovira za morske rastline. Lahko vzamejo CO₂ iz ozračja, s čimer se izognemo težavam z nizko vsebnostjo ogljikovega dioksida v topli vodi.

Sargaške alge. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Zanimivo je, da plavajoče alge v istem Sargaškem morju povzročajo celoten plavajoči ekosistem, nekaj podobnega "plavajočemu zemljišču". Tam živijo raki, ki jim je vzgona alg dovolj, da se po njihovi površini premikajo, kot da je kopno. Teoretično lahko na mirnih območjih oceanskega planeta plavajoče skupine morskih rastlin razvijejo precej "kopensko" življenje, čeprav samega kopnega tam ne boste našli.

Preverite svoj privilegij, zemljan

Problem identifikacije najbolj obetavnih krajev za iskanje življenja je v tem, da zaenkrat imamo malo podatkov, ki bi nam omogočili, da bi med planeti kandidati izpostavili najverjetnejše nosilce življenja. Sam po sebi koncept "bivalne cone" tukaj ni najboljši pomočnik. V njej veljajo za primerne za življenje tisti planeti, ki od svoje zvezde prejmejo zadostno količino energije, da vsaj na delu svoje površine podpirajo tekoče rezervoarje. V sončnem sistemu sta tako Mars kot Zemlja v bivalnem območju, vendar je ob prvem kompleksu življenje na površju nekako neopazno.

Predvsem zato, ker to ni isti svet kot Zemlja, s bistveno drugačno atmosfero in hidrosfero. Linearna predstavitev v slogu "planet-ocean je Zemlja, a le prekrita z vodo" nas lahko zavede v isto zablodo, kot je obstajala na začetku 20. stoletja o primernosti Marsa za življenje. Pravi oceanidi se lahko močno razlikujejo od našega planeta - imajo popolnoma drugačno atmosfero, različne mehanizme za stabilizacijo podnebja in celo različne mehanizme za oskrbo morskih rastlin z ogljikovim dioksidom.

Podrobno razumevanje, kako dejansko delujejo vodni svetovi, nam omogoča, da vnaprej razumemo, kakšno bo zanje bivalno območje, in se s tem hitro približamo podrobnim opazovanjem takšnih planetov v Jamesu Webbu in drugih obetavnih velikih teleskopih.

Če povzamemo, ne moremo le priznati, da so do nedavnega naše predstave o tem, kateri svetovi so res naseljeni in kateri ne, preveč trpeli zaradi antropocentrizma in geocentrizma. In, kot se je zdaj izkazalo, iz "sushcentrizma" - mnenja, da če smo sami nastali na kopnem, potem je to najpomembnejše mesto v razvoju življenja in ne samo na našem planetu, ampak tudi na drugih soncih. Morda opažanja prihodnjih let s tega vidika ne bodo pustila prevrnjenega kamna.