Dzīvības iespēja uz ūdens planētām

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Lielākā daļa planētu, par kurām mēs zinām, ir lielākas par Zemi, bet mazākas par Saturnu. Visbiežāk starp tiem ir "mini-neptūni" un "superzemes" - objekti, kas ir pāris reizes masīvāki par mūsu planētu. Pēdējo gadu atklājumi dod arvien lielāku pamatu uzskatīt, ka superzemes ir planētas, kuru sastāvs ļoti atšķiras no mūsējās. Turklāt izrādījās, ka citu sistēmu sauszemes planētas, visticamāk, atšķiras no Zemes ar daudz bagātākiem gaismas elementiem un savienojumiem, tostarp ūdeni. Un tas ir labs iemesls aizdomāties, cik viņi ir piemēroti dzīvei.

Iepriekš minētās atšķirības starp bijušo Zemi un Zemi izskaidro fakts, ka trīs ceturtdaļas no visām zvaigznēm Visumā ir sarkanie punduri, gaismekļi, kas ir daudz mazāk masīvi nekā Saule. Novērojumi liecina, ka planētas ap tām bieži atrodas apdzīvojamajā zonā - tas ir, kur tās saņem apmēram tādu pašu enerģiju no savas zvaigznes kā Zeme no Saules. Turklāt sarkano punduru apdzīvojamajā zonā bieži vien ir ārkārtīgi daudz planētu: piemēram, zvaigznes TRAPPIST-1 "Zeltainara joslā" vienlaikus ir trīs planētas.

Un tas ir ļoti dīvaini. Sarkano punduru apdzīvojamā zona atrodas miljonu kilometru attālumā no zvaigznes, nevis 150–225 miljonus, kā tas ir Saules sistēmā. Tikmēr vairākas planētas vienlaikus nevar veidoties miljoniem kilometru attālumā no savas zvaigznes - tās protoplanetārā diska izmērs to neļaus. Jā, sarkanajam pundurim to ir mazāk nekā dzeltenajam, kā mūsu Saulei, bet ne simts vai pat piecdesmit reizes.

Situāciju vēl vairāk sarežģī fakts, ka astronomi ir iemācījušies vairāk vai mazāk precīzi "izsvērt" planētas tālās zvaigznēs. Un tad izrādījās, ka, ja mēs saistām to masu un izmērus, izrādās, ka šādu planētu blīvums ir divas vai pat trīs reizes mazāks nekā Zemei. Un tas principā nav iespējams, ja šīs planētas būtu izveidotas miljoniem kilometru attālumā no to zvaigznes. Tā kā ar tik ciešu izkārtojumu gaismekļa starojumam burtiski vajadzētu virzīt lielāko daļu gaismas elementu uz āru.

Tieši tas notika, piemēram, Saules sistēmā. Paskatīsimies uz Zemi: tā veidojusies apdzīvojamajā zonā, bet ūdens tās masā nav lielāka par vienu tūkstošdaļu. Ja vairāku pasauļu blīvums sarkanajos punduros ir divas līdz trīs reizes mazāks, tad ūdens tur nav mazāks par 10 procentiem vai pat vairāk. Tas ir, simts reizes vairāk nekā uz Zemes. Līdz ar to tie veidojās ārpus apdzīvojamās zonas un tikai tad migrēja uz turieni. Zvaigžņu starojums viegli var atņemt gaismas elementiem protoplanetārā diska zonas, kas atrodas tuvu gaismeklim. Bet jau gatavai planētai, kas migrējusi no protoplanetārā diska tālās daļas, ir daudz grūtāk atņemt gaismas elementus - tur apakšējos slāņus aizsargā augšējie. Un ūdens zudums neizbēgami ir diezgan lēns. Tipiska superzeme apdzīvojamajā zonā nespēs zaudēt pat pusi no ūdens, un visā, piemēram, Saules sistēmas pastāvēšanas laikā.

Tātad masīvākajām zvaigznēm Visumā bieži ir planētas, kurās ir daudz ūdens. Tas, visticamāk, nozīmē, ka šādu planētu ir daudz vairāk nekā tādu kā Zeme. Tāpēc būtu labi noskaidrot, vai šādās vietās ir iespējama sarežģītas dzīves rašanās un attīstība.

Nepieciešams vairāk minerālvielu

Un šeit sākas lielās problēmas. Saules sistēmā nav superzemēm ar lielu ūdens daudzumu tuvu analogu, un, tā kā nav pieejami novērošanai piemēroti piemēri, planētu zinātniekiem burtiski nav ar ko sākt. Mums ir jāaplūko ūdens fāzes diagramma un jāizdomā, kādi parametri būs dažādiem okeāna planētu slāņiem.

Ūdens stāvokļa fāzes diagramma. Ledus modifikācijas apzīmētas ar romiešu cipariem. Gandrīz viss ledus uz Zemes pieder I grupai_h, un ļoti maza daļa (augšējos atmosfēras slāņos) - uz I_c… Attēls: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Izrādās, ja uz Zemes izmēra planētas ūdens ir 540 reizes vairāk nekā šeit, tad to pilnībā aizklās vairāk nekā simts kilometrus dziļš okeāns. Šādu okeānu dzelmē spiediens būs tik liels, ka tur sāks veidoties tādas fāzes ledus, kas saglabājas ciets pat ļoti augstā temperatūrā, jo ūdeni cietu notur milzīgais spiediens.

Ja planētu okeāna dibens ir pārklāts ar biezu ledus kārtu, šķidrais ūdens tiks liegts saskarties ar cietajiem silikāta akmeņiem. Bez šāda kontakta tajā esošajiem minerāliem faktiski nebūs no kurienes nākt. Vēl ļaunāk, tiks traucēts oglekļa cikls.

Sāksim ar minerālvielām. Bez fosfora dzīvība - mums zināmās formās - nevar būt, jo bez tā nav nukleotīdu un attiecīgi arī DNS. Bez kalcija būs grūti – piemēram, mūsu kauli sastāv no hidroksilapatīta, kas nevar iztikt bez fosfora un kalcija. Dažkārt uz Zemes rodas problēmas ar noteiktu elementu pieejamību. Piemēram, Austrālijā un Ziemeļamerikā vairākās vietās bija neparasti ilgs vulkāniskās aktivitātes trūkums un augsnēs dažviet ir izteikts selēna trūkums (tā ir daļa no vienas no dzīvībai nepieciešamajām aminoskābēm). Tāpēc govīm, aitām un kazām trūkst selēna, un dažreiz tas noved pie mājlopu nāves (ASV un Kanādā selenīta pievienošanu lopu barībai pat regulē likums).

Daži pētnieki norāda, ka tikai minerālu pieejamības faktoram vajadzētu padarīt okeānus-planētas par reāliem bioloģiskiem tuksnešiem, kur dzīvība, ja tāda ir, ir ārkārtīgi reti sastopama. Un mēs vienkārši nerunājam par patiešām sarežģītām formām.

Salauzts gaisa kondicionieris

Papildus minerālu deficītam teorētiķi ir atklājuši otru potenciālo planētu-okeānu problēmu - varbūt pat svarīgāku par pirmo. Mēs runājam par oglekļa cikla darbības traucējumiem. Uz mūsu planētas viņš ir galvenais relatīvi stabila klimata pastāvēšanas iemesls. Oglekļa cikla princips ir vienkāršs: kad planēta kļūst pārāk auksta, oglekļa dioksīda absorbcija akmeņos strauji palēninās (šādas absorbcijas process notiek ātri tikai siltā vidē). Tajā pašā laikā oglekļa dioksīda "piegādes" ar vulkāna izvirdumiem notiek tādā pašā tempā. Kad gāzes saistīšanās samazinās un padeve nesamazinās, CO₂ koncentrācija dabiski palielinās. Planētas, kā zināms, atrodas starpplanētu telpas vakuumā, un vienīgais nozīmīgais siltuma zuduma veids tām ir tā starojums infrasarkano viļņu veidā. Oglekļa dioksīds absorbē šādu starojumu no planētas virsmas, tāpēc atmosfēra ir nedaudz uzsilusi. Tas iztvaiko ūdens tvaikus no okeānu ūdens virsmas, kas arī absorbē infrasarkano starojumu (citu siltumnīcefekta gāzi). Rezultātā CO₂ darbojas kā galvenais iniciators planētas sildīšanas procesā.

Tieši šis mehānisms noved pie tā, ka ledāji uz Zemes agrāk vai vēlāk beidzas. Viņš arī neļauj tai pārkarst: pārmērīgi augstā temperatūrā ogļskābā gāze ātrāk saista akmeņus, pēc tam zemes garozas plākšņu tektonikas dēļ tie pamazām iegrimst mantijā. CO līmenis₂krīt un klimats kļūst vēsāks.

Diez vai var pārvērtēt šī mehānisma nozīmi mūsu planētai. Uz mirkli iedomājieties, ka sabojājas oglekļa gaisa kondicionētājs: teiksim, vulkāni ir pārstājuši izvirdumus un vairs nepiegādā oglekļa dioksīdu no Zemes zarnām, kas kādreiz tur nolaidās ar vecām kontinentālām plāksnēm. Pats pirmais apledojums burtiski kļūs mūžīgs, jo jo vairāk ledus uz planētas, jo vairāk saules starojuma tas atstaro kosmosā. Un jauna CO daļa₂ nespēs atsaldēt planētu: tai nebūs no kurienes nākt.

Tieši tā teorētiski vajadzētu būt uz planētām-okeāniem. Pat ja vulkāniskā darbība dažkārt var izlauzties cauri eksotiskā ledus čaulai planētu okeāna dibenā, no tā ir maz. Patiešām, uz jūras pasaules virsmas vienkārši nav akmeņu, kas varētu saistīt lieko oglekļa dioksīdu. Tas ir, var sākties tā nekontrolēta uzkrāšanās un attiecīgi planētas pārkaršana.

Kaut kas līdzīgs – tiesa, bez planētu okeāna – notika uz Veneras. Arī uz šīs planētas nav plātņu tektonikas, lai gan nav īsti zināms, kāpēc tas notika. Tāpēc tur vulkāna izvirdumi, brīžiem izlaužoties cauri garozai, atmosfērā ienes daudz ogļskābās gāzes, taču virsma to nespēj saistīt: kontinentālās plātnes nenogrimst un jaunas neceļas augšā. Tāpēc esošo plātņu virsma jau ir saistījusi visu CO₂, kas varētu un nevar uzņemt vairāk, un uz Veneras ir tik karsts, ka svins tur vienmēr paliks šķidrs. Un tas neskatoties uz to, ka saskaņā ar modelēšanu ar Zemes atmosfēru un oglekļa ciklu šī planēta būtu apdzīvojama Zemes dvīņi.

Vai ir dzīve bez gaisa kondicionēšanas?

"Zemes šovinisma" (pozīcija, ka dzīvība iespējama tikai uz "Zemes kopijām", planētām ar stingriem sauszemes apstākļiem) kritiķi uzreiz uzdeva jautājumu: kāpēc patiesībā visi nolēma, ka minerāli nespēs izlauzties cauri eksotiskā ledus kārta? Jo stiprāks un necaurredzamāks ir vāks pāri kaut kam karstam, jo vairāk zem tā uzkrājas enerģija, kurai ir tendence izlauzties. Šeit ir tā pati Venera – plātņu tektonika it kā neeksistē, un ogļskābā gāze no dzīlēm izplūda tādos daudzumos, ka dzīvības no tās vārda tiešā nozīmē nav. Līdz ar to tas pats ir iespējams ar minerālu izņemšanu uz augšu - cietie ieži vulkānu izvirdumu laikā pilnībā nokrīt uz augšu.

Tomēr joprojām pastāv vēl viena problēma - oglekļa cikla “salauztais gaisa kondicionieris”. Vai okeāna planēta var būt apdzīvojama bez tā?

Saules sistēmā ir daudz ķermeņu, uz kuriem oglekļa dioksīds nemaz nespēlē galvenā klimata regulatora lomu. Šeit ir, teiksim, Titāns, liels Saturna pavadonis.

Titāns. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nantes Universitāte, Virdžīnija Paseka, Arizonas Universitāte

Ķermenis ir niecīgs salīdzinājumā ar Zemes masu. Taču tas veidojies tālu no Saules, un gaismekļa starojums no tā "neiztvaikoja" gaismas elementus, tostarp slāpekli. Tas nodrošina Titānam gandrīz tīra slāpekļa atmosfēru, to pašu gāzi, kas dominē uz mūsu planētas. Bet tās slāpekļa atmosfēras blīvums ir četras reizes lielāks nekā mūsu - ar gravitāciju tas ir septiņas reizes vājāks.

No pirmā acu uzmetiena uz Titāna klimatu vienmēr ir sajūta, ka tas ir ārkārtīgi stabils, lai gan nav "oglekļa" gaisa kondicionētāja tiešā veidā. Pietiek pateikt, ka temperatūras starpība starp Titāna polu un ekvatoru ir tikai trīs grādi. Ja uz Zemes būtu tāda pati situācija, planēta būtu daudz vienmērīgāk apdzīvota un kopumā dzīvībai piemērotāka.

Turklāt vairāku zinātnisku grupu aprēķini ir parādījuši: ja atmosfēras blīvums ir piecas reizes lielāks nekā Zemes blīvums, tas ir, par ceturtdaļu lielāks nekā uz Titāna, pat slāpekļa siltumnīcas efekts vien ir pilnīgi pietiekams, lai temperatūras svārstības samazinātos. gandrīz līdz nullei. Uz šādas planētas dienā un naktī gan pie ekvatora, gan pie pola temperatūra vienmēr būtu vienāda. Zemes dzīve par ko tādu var tikai sapņot.

Planētas-okeāni pēc to blīvuma ir tikai Titāna līmenī (1, 88 g / cm³), nevis Zemes (5, 51 g / cm³). Pieņemsim, ka trīs planētu TRAPPIST-1 apdzīvojamajā zonā 40 gaismas gadu attālumā no mums ir blīvums no 1,71 līdz 2,18 g / cm³. Citiem vārdiem sakot, visticamāk, šādām planētām ir vairāk nekā pietiekams slāpekļa atmosfēras blīvums, lai nodrošinātu stabilu klimatu tikai slāpekļa dēļ. Ogļskābā gāze nevar tās pārvērst par karstu Veneru, jo patiešām liela ūdens masa var saistīt daudz ogļskābās gāzes arī bez jebkādas plātņu tektonikas (oglekļa dioksīdu absorbē ūdens, un jo lielāks spiediens, jo vairāk tā var saturēt).

Dziļjūras tuksneši

Ar hipotētiskām ārpuszemes baktērijām un arhejām viss, šķiet, ir vienkārši: viņi var dzīvot ļoti sarežģītos apstākļos, un šim nolūkam viņiem nemaz nav nepieciešams daudz ķīmisko elementu. Grūtāk ir ar augiem un augsti organizētu dzīvi, kas dzīvo uz to rēķina.

Tātad uz okeāna planētām var būt stabils klimats – ļoti iespējams, stabilāks nekā Zemei. Iespējams arī, ka ūdenī ir izšķīdināts manāms minerālvielu daudzums. Un tomēr dzīve tur nemaz nav Kapusvētki.

Paskatīsimies uz Zemi. Izņemot pēdējos miljonus gadu, tās zeme ir ārkārtīgi zaļa, gandrīz bez brūniem vai dzelteniem tuksnešu plankumiem. Bet okeāns nemaz neizskatās zaļš, izņemot dažas šauras piekrastes zonas. Kāpēc ir tā, ka?

Lieta tāda, ka uz mūsu planētas okeāns ir bioloģisks tuksnesis. Dzīvei ir nepieciešams oglekļa dioksīds: tas "būvē" augu biomasu un tikai no tā var barot dzīvnieku biomasu. Ja mums apkārt gaisā ir CO₂ vairāk nekā 400 ppm, kā tas ir tagad, veģetācija zied. Ja tas būtu mazāks par 150 daļām uz miljonu, visi koki nomirtu (un tas varētu notikt pēc miljarda gadu). Ar mazāk nekā 10 daļām CO₂ uz miljonu nomirtu visi augi un kopā ar tiem arī visas patiešām sarežģītas dzīvības formas.

No pirmā acu uzmetiena tam vajadzētu nozīmēt, ka jūra ir īsts plašums dzīvei. Patiešām, Zemes okeānos ir simts reižu vairāk oglekļa dioksīda nekā atmosfērā. Tāpēc augiem vajadzētu būt daudz būvmateriālu.

Patiesībā nekas nav tālāk no patiesības. Ūdens Zemes okeānos ir 1,35 kvintiljoni (miljardi miljardu) tonnu, un atmosfēra ir nedaudz vairāk par pieciem kvadriljoniem (miljoniem miljardu) tonnu. Tas nozīmē, ka tonnā ūdens ir ievērojami mazāk CO.₂nekā tonna gaisa. Ūdens augiem Zemes okeānos gandrīz vienmēr ir daudz mazāk CO₂ to rīcībā nekā sauszemes.

Lai padarītu situāciju vēl ļaunāku, ūdensaugiem ir labs vielmaiņas ātrums tikai siltā ūdenī. Proti, tajā CO₂ vismazāk tāpēc, ka tā šķīdība ūdenī samazinās, paaugstinoties temperatūrai. Tāpēc aļģes, salīdzinot ar sauszemes augiem, pastāv pastāvīga kolosāla CO deficīta apstākļos.₂.

Tāpēc zinātnieku mēģinājumi aprēķināt sauszemes organismu biomasu liecina, ka jūra, kas aizņem divas trešdaļas planētas, dod niecīgu ieguldījumu kopējā biomasā. Ja mēs ņemam kopējo oglekļa masu - galveno materiālu jebkuras dzīvas radības - zemes iedzīvotāju - sausajā masā, tad tā ir vienāda ar 544 miljardiem tonnu. Un jūru un okeānu iedzīvotāju ķermeņos - tikai seši miljardi tonnu, drupatas no kunga galda, nedaudz vairāk par procentu.

Tas viss var likt domāt, ka, lai gan dzīvība uz planētām-okeāniem ir iespējama, tā būs ļoti, ļoti neizskatīga. Zemes biomasa, ja to klātu viens okeāns, ja visas pārējās lietas būtu vienādas, sausā oglekļa izteiksmē būtu tikai 10 miljardi tonnu - piecdesmit reizes mazāka nekā tagad.

Tomēr arī šeit ir pāragri likt punktu ūdens pasaulēm. Fakts ir tāds, ka jau pie divu atmosfēru spiediena CO daudzums₂, kas var izšķīst jūras ūdenī, vairāk nekā divas reizes (25 grādu temperatūrai). Tā kā atmosfēra ir četras līdz piecas reizes blīvāka nekā Zemes, un tas ir tieši tas, ko jūs varētu sagaidīt uz tādām planētām kā TRAPPIST-1e, g un f, ūdenī var būt tik daudz oglekļa dioksīda, ka vietējo okeānu ūdens sāks tuvoties. Zemes gaiss. Citiem vārdiem sakot, ūdensaugi uz planētām un okeāniem atrodas daudz labākos apstākļos nekā uz mūsu planētas. Un kur ir vairāk zaļās biomasas, un dzīvniekiem ir labāka barības bāze. Tas ir, atšķirībā no Zemes, planētu-okeānu jūras var būt nevis tuksneši, bet gan dzīvības oāzes.

Sargaso planētas

Bet ko darīt, ja okeāna planētai pārpratuma dēļ joprojām ir Zemes atmosfēras blīvums? Un šeit viss nav tik slikti. Uz Zemes aļģes mēdz pieķerties dibenam, bet tur, kur tam nav apstākļu, izrādās, ka ūdensaugi var peldēt.

Dažas sargassum aļģes izmanto ar gaisu pildītus maisiņus (tie atgādina vīnogas, tāpēc Sargasso jūras nosaukumā ir portugāļu vārds "sargasso"), lai nodrošinātu peldspēju, un teorētiski tas ļauj uzņemt CO.₂ no gaisa, nevis no ūdens, kur tā ir maz. Pateicoties to peldspējai, viņiem ir vieglāk veikt fotosintēzi. Tiesa, šādas aļģes labi vairojas tikai diezgan augstā ūdens temperatūrā, un tāpēc uz Zemes tās ir salīdzinoši labas tikai dažviet, piemēram, Sargasu jūrā, kur ūdens ir ļoti silts. Ja okeāna planēta ir pietiekami silta, tad pat zemes atmosfēras blīvums nav nepārvarams šķērslis jūras augiem. Viņi var uzņemt CO₂ no atmosfēras, izvairoties no zema oglekļa dioksīda problēmām siltā ūdenī.

Sargaso aļģes. Foto: Allens Makdeivids Stoddars / Photodom / Shutterstock

Interesanti, ka peldošās aļģes tajā pašā Sargaso jūrā rada veselu peldošu ekosistēmu, kaut ko līdzīgu "peldošai zemei". Tur dzīvo krabji, kuriem pietiek ar aļģu peldspēju, lai pārvietotos pa to virsmu tā, it kā tā būtu zeme. Teorētiski okeāna planētas mierīgos apgabalos peldošās jūras augu grupās var attīstīties diezgan "sauszemes" dzīvība, lai gan pašu zemi tur neatradīsiet.

Pārbaudi savas privilēģijas, zemiete

Perspektīvāko dzīves meklēšanas vietu noteikšanas problēma ir tā, ka līdz šim mums ir maz datu, kas ļautu izcelt iespējamos dzīvības nesējus starp kandidātplanētām. Pats par sevi jēdziens "apdzīvojama zona" šeit nav labākais palīgs. Tajā par dzīvībai piemērotām tiek uzskatītas tās planētas, kuras no savas zvaigznes saņem pietiekamu daudzumu enerģijas, lai vismaz daļā savas virsmas uzturētu šķidruma rezervuārus. Saules sistēmā gan Marss, gan Zeme atrodas apdzīvojamajā zonā, taču pirmajā brīdī sarežģītā dzīvība uz virsmas ir kaut kā nemanāma.

Galvenokārt tāpēc, ka šī nav tā pati pasaule, kas Zeme, ar principiāli atšķirīgu atmosfēru un hidrosfēru. Lineārais attēlojums stilā "planēta-okeāns ir Zeme, bet tikai klāta ar ūdeni" var mūs ievest tajā pašā maldā, kas pastāvēja 20. gadsimta sākumā par Marsa piemērotību dzīvībai. Īstie okeānāni var krasi atšķirties no mūsu planētas – tiem ir pavisam cita atmosfēra, dažādi klimata stabilizācijas mehānismi un pat dažādi mehānismi jūras augu apgādāšanai ar oglekļa dioksīdu.

Detalizēta izpratne par to, kā ūdens pasaules faktiski darbojas, ļauj mums iepriekš saprast, kāda būs to apdzīvojamā zona, un tādējādi ātri pieiet detalizētiem šādu planētu novērojumiem Džeimsa Veba un citos daudzsološos lielos teleskopos.

Rezumējot, nevar neatzīt, ka vēl pavisam nesen mūsu priekšstati par to, kuras pasaules ir īsti apdzīvotas un kuras nav, pārāk daudz cieta no antropocentrisma un ģeocentrisma. Un, kā tagad izrādās, no "sušcentrisma" - uzskats, ka, ja mēs paši esam radušies uz zemes, tad tā ir vissvarīgākā vieta dzīvības attīstībā un ne tikai uz mūsu planētas, bet arī citās saulēs. Iespējams, ka tuvāko gadu novērojumi no šī skatu punkta neatstās akmeni.