Mogućnost života na vodenim planetama

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Većina planeta za koje znamo su veće po masi od Zemlje, ali manje od Saturna. Najčešće među njima postoje "mini-neptuni" i "super-zemlje" - objekti koji su nekoliko puta masivniji od naše planete. Otkrića poslednjih godina daju sve više osnova da se veruje da su super-Zemlje planete čiji se sastav veoma razlikuje od našeg. Štaviše, pokazalo se da će se zemaljske planete u drugim sistemima vjerovatno razlikovati od Zemlje po mnogo bogatijim svjetlosnim elementima i spojevima, uključujući vodu. I to je dobar razlog da se zapitate koliko su sposobni za život.

Gore navedene razlike između bivše Zemlje i Zemlje objašnjavaju se činjenicom da su tri četvrtine svih zvijezda u Univerzumu crveni patuljci, svjetiljke mnogo manje masivne od Sunca. Zapažanja pokazuju da se planete oko njih često nalaze u zoni pogodnoj za stanovanje – to jest, gdje od svoje zvijezde primaju otprilike istu energiju kao Zemlja od Sunca. Štaviše, često postoji izuzetno mnogo planeta u nastanjivoj zoni crvenih patuljaka: u "pojasu Zlatokosa" zvijezde TRAPPIST-1, na primjer, postoje tri planete odjednom.

I ovo je veoma čudno. Naseljiva zona crvenih patuljaka nalazi se na milionima kilometara od zvijezde, a ne 150-225 miliona, kao u Sunčevom sistemu. U međuvremenu, nekoliko planeta odjednom ne može se formirati na milionima kilometara od svoje zvijezde - veličina njegovog protoplanetarnog diska to ne dozvoljava. Da, crveni patuljak ga ima manje od žutog, kao naše Sunce, ali ne sto ili čak pedeset puta.

Situaciju dodatno komplikuje činjenica da su astronomi naučili manje-više precizno "vagati" planete u udaljenim zvijezdama. A onda se pokazalo da ako povežemo njihovu masu i veličinu, ispada da je gustina takvih planeta dva ili čak tri puta manja od Zemljine. A to je, u principu, nemoguće da su ove planete formirane milionima kilometara od svoje zvijezde. Jer pri tako bliskom rasporedu, zračenje svjetiljke bi bukvalno trebalo gurnuti glavninu svjetlosnih elemenata prema van.

Upravo to se, na primjer, dogodilo u Sunčevom sistemu. Pogledajmo Zemlju: nastala je u zoni pogodnoj za život, ali voda u svojoj masi nije veća od jedne hiljaditi dio. Ako je gustina određenog broja svjetova u crvenim patuljcima dva do tri puta manja, tada vode tamo nema manje od 10 posto, pa čak i više. Odnosno sto puta više nego na Zemlji. Shodno tome, formirali su se izvan naseljive zone i tek onda tamo migrirali. Zvjezdano zračenje lako može lišiti svjetlosne elemente zona protoplanetarnog diska u blizini svjetiljke. Ali mnogo je teže lišiti gotovu planetu koja je migrirala iz udaljenog dijela protoplanetarnog diska svjetlosnih elemenata - tamošnji donji slojevi zaštićeni su gornjim. A gubitak vode je neizbježno prilično spor. Tipična super-zemlja u naseljivoj zoni neće moći da izgubi ni polovinu svoje vode, a tokom čitavog postojanja, na primer, Sunčevog sistema.

Dakle, najmasovnije zvijezde u svemiru često imaju planete u kojima ima puno vode. To, najvjerovatnije, znači da takvih planeta ima mnogo više nego što je Zemlja. Stoga bi bilo dobro utvrditi da li na takvim mjestima postoji mogućnost nastanka i razvoja složenog života.

Treba više minerala

I tu počinju veliki problemi. U Sunčevom sistemu nema bliskih analoga super-zemalja sa velikom količinom vode, a u nedostatku primjera dostupnih za posmatranje, planetarni naučnici bukvalno nemaju od čega početi. Moramo pogledati fazni dijagram vode i shvatiti koji će parametri biti za različite slojeve planeta oceanida.

Fazni dijagram stanja vode. Modifikacije leda su označene rimskim brojevima. Gotovo sav led na Zemlji pripada grupi I_h, i vrlo mali dio (u gornjim slojevima atmosfere) - do I_c… Slika: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Ispostavilo se da ako na planeti veličine Zemlje ima 540 puta više vode nego ovdje, onda će ona biti potpuno prekrivena okeanom dubokim od stotinu kilometara. Na dnu ovakvih okeana pritisak će biti toliki da će tamo početi da se formira led takve faze, koji ostaje čvrst čak i na veoma visokim temperaturama, jer se voda drži čvrstom pod ogromnim pritiskom.

Ako je dno planetarnog okeana prekriveno debelim slojem leda, tekuća voda će biti lišena kontakta sa čvrstim silikatnim stijenama. Bez takvog kontakta, minerali u njemu, zapravo, neće imati odakle doći. Što je još gore, ciklus ugljenika će biti poremećen.

Počnimo sa mineralima. Bez fosfora život - u nama poznatim oblicima - ne može biti, jer bez njega nema nukleotida i, shodno tome, DNK. Biće teško bez kalcija – na primjer, naše kosti su sastavljene od hidroksilapatita, koji ne može bez fosfora i kalcija. Problemi sa dostupnošću određenih elemenata ponekad se javljaju na Zemlji. Na primjer, u Australiji i Sjevernoj Americi na nizu lokaliteta došlo je do abnormalno dugog odsustva vulkanske aktivnosti, a u zemljištu na nekim mjestima postoji ozbiljan nedostatak selena (dio je jedne od aminokiselina, neophodnih za život). Zbog toga krave, ovce i koze imaju manjak selena, a ponekad to dovodi do uginuća stoke (dodavanje selenita u stočnu hranu u Sjedinjenim Državama i Kanadi je čak regulirano zakonom).

Neki istraživači sugeriraju da bi sam faktor dostupnosti minerala trebao učiniti oceane-planete pravim biološkim pustinjama, gdje je život, ako postoji, izuzetno rijedak. I jednostavno ne govorimo o zaista složenim oblicima.

Pokvarena klima

Pored nedostataka minerala, teoretičari su otkrili i drugi potencijalni problem planeta-okeana - možda čak i važniji od prvog. Govorimo o kvarovima u ciklusu ugljika. Na našoj planeti on je glavni razlog postojanja relativno stabilne klime. Princip ciklusa ugljika je jednostavan: kada planeta postane previše hladna, apsorpcija ugljičnog dioksida od strane stijena naglo se usporava (proces takve apsorpcije brzo se odvija samo u toplom okruženju). Istovremeno, "zalihe" ugljičnog dioksida vulkanskim erupcijama idu istim tempom. Kada se vezanje plina smanji, a dotok se ne smanji, koncentracija CO₂ prirodno raste. Planete su, kao što znate, u vakuumu međuplanetarnog prostora, a jedini značajan način gubitka toplote za njih je njeno zračenje u obliku infracrvenih talasa. Ugljični dioksid apsorbira takvo zračenje s površine planete, zbog čega je atmosfera lagano zagrijana. Ovo isparava vodenu paru sa vodene površine okeana, koja takođe apsorbuje infracrveno zračenje (još jedan gas staklene bašte). Kao rezultat toga, CO₂ djeluje kao glavni inicijator u procesu zagrijavanja planete.

Upravo taj mehanizam dovodi do činjenice da se glečeri na Zemlji prije ili kasnije završavaju. On također ne dopušta da se pregrije: na pretjerano visokim temperaturama, ugljični dioksid se brže vezuje za stijene, nakon čega, zbog tektonike ploča zemljine kore, postupno tonu u plašt. CO nivo₂pada i klima postaje hladnija.

Važnost ovog mehanizma za našu planetu teško se može precijeniti. Zamislite na trenutak kvar karbonskog klima uređaja: recimo, vulkani su prestali eruptirati i više ne isporučuju ugljični dioksid iz utrobe Zemlje, koji se tamo nekada spuštao sa starim kontinentalnim pločama. Već prva glacijacija će doslovno postati vječna, jer što je više leda na planeti, to više sunčevog zračenja odbija u svemir. I novi dio CO₂ neće moći da odmrzne planetu: neće imati odakle doći.

Upravo tako, u teoriji, treba da bude na planetama-okeanima. Čak i ako vulkanska aktivnost povremeno može probiti ljusku egzotičnog leda na dnu planetarnog okeana, malo je toga dobrog u tome. Zaista, na površini morskog svijeta jednostavno nema stijena koje bi mogle vezati višak ugljičnog dioksida. Odnosno, može početi njegovo nekontrolirano nakupljanje i, shodno tome, pregrijavanje planete.

Nešto slično - istina, bez ikakvog planetarnog okeana - dogodilo se na Veneri. Ni na ovoj planeti nema tektonike ploča, iako se zapravo ne zna zašto se to dogodilo. Stoga tamošnje vulkanske erupcije, probijajući se povremeno kroz koru, unose mnogo ugljičnog dioksida u atmosferu, ali ga površina ne može vezati: kontinentalne ploče ne tonu, a nove se ne dižu. Stoga je površina postojećih ploča već vezala sav CO₂, koji bi mogao, a ne može apsorbirati više, a na Veneri je toliko vruće da će olovo uvijek ostati tečnost tamo. I to uprkos činjenici da bi, prema modeliranju, sa Zemljinom atmosferom i ciklusom ugljika, ova planeta bila nastanjivi blizanac Zemlje.

Ima li života bez klime?

Kritičari "zemaljskog šovinizma" (stav da je život moguć samo na "kopijama Zemlje", planetama sa strogo zemaljskim uslovima) odmah su postavili pitanje: zašto su, zapravo, svi odlučili da minerali neće moći da se probiju kroz sloj egzotičnog leda? Što je poklopac jači i neprobojniji iznad nečeg vrućeg, to se ispod njega nakuplja više energije koja teži da izbije. Evo iste Venere - tektonika ploča kao da ne postoji, a ugljični dioksid je pobjegao iz dubina u takvim količinama da od njega nema života u doslovnom smislu riječi. Shodno tome, isto je moguće i sa uklanjanjem minerala prema gore - čvrste stijene tokom vulkanskih erupcija potpuno padaju prema gore.

Čak i tako, ostaje još jedan problem - "pokvareni klima uređaj" ciklusa ugljika. Može li planeta okeana biti nastanjena bez toga?

Mnogo je tijela u Sunčevom sistemu na kojima ugljični dioksid uopće ne igra ulogu glavnog regulatora klime. Evo, recimo, Titana, velikog Saturnovog mjeseca.

Titanijum. Fotografija: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Univerzitet u Nantu, Virginia Pasek, Univerzitet Arizona

Tijelo je zanemarljivo u poređenju sa masom Zemlje. Međutim, nastao je daleko od Sunca, a zračenje svjetiljke nije "isparilo" iz njega svjetlosne elemente, uključujući dušik. Ovo Titanu daje atmosferu gotovo čistog dušika, istog plina koji dominira našom planetom. Ali gustina njegove azotne atmosfere je četiri puta veća od naše - sa gravitacijom je sedam puta slabija.

Već na prvi pogled na Titanovu klimu, postojao je stabilan osjećaj da je izuzetno stabilan, iako u direktnom obliku nema "karbonske" klima-uređaje. Dovoljno je reći da je temperaturna razlika između pola i ekvatora Titana samo tri stepena. Da je ista situacija na Zemlji, planeta bi bila mnogo ravnomjernije naseljena i općenito pogodnija za život.

Štaviše, proračuni brojnih naučnih grupa su pokazali: sa gustinom atmosfere pet puta većom od one na Zemlji, odnosno četvrtinom većom nego na Titanu, čak je i efekat staklene bašte samog azota sasvim dovoljan za smanjenje temperaturnih fluktuacija. na skoro nulu. Na takvoj planeti, danju i noću, i na ekvatoru i na polu, temperatura bi uvijek bila ista. Ovo zemaljski život može samo sanjati o takvom nečemu.

Planete-okeani po svojoj gustini su upravo na nivou Titana (1,88 g/cm³), a ne Zemlje (5,51 g/cm³). Recimo, tri planete u naseljivoj zoni TRAPPIST-1 40 svjetlosnih godina od nas imaju gustinu od 1,71 do 2,18 g/cm³. Drugim riječima, najvjerovatnije, takve planete imaju više nego dovoljnu gustinu azotne atmosfere da imaju stabilnu klimu samo zahvaljujući dušiku. Ugljični dioksid ih ne može pretvoriti u usijanu Veneru, jer zaista velika masa vode može vezati mnogo ugljičnog dioksida čak i bez ikakve tektonike ploča (ugljični dioksid se apsorbira u vodu, a što je veći pritisak, to ga više može sadržavati).

Duboke morske pustinje

S hipotetičkim vanzemaljskim bakterijama i arhejama sve je izgleda jednostavno: mogu živjeti u vrlo teškim uvjetima i za to im uopće nije potrebno obilje mnogih kemijskih elemenata. Teže je s biljkama i visoko organiziranim životom koji žive na njihov račun.

Dakle, okeanske planete mogu imati stabilnu klimu - vrlo vjerovatno stabilniju od Zemlje. Također je moguće da postoji primjetna količina minerala otopljenih u vodi. Pa ipak, tamo života uopće nema poklada.

Hajde da pogledamo Zemlju. Osim posljednjih miliona godina, njegova zemlja je izuzetno zelena, gotovo bez smeđih ili žutih pjega pustinja. Ali okean uopće ne izgleda zeleno, osim nekih uskih obalnih zona. Žašto je to?

Stvar je u tome što je na našoj planeti okean biološka pustinja. Za život je potreban ugljični dioksid: on "gradi" biljnu biomasu i samo se iz nje može hraniti životinjska biomasa. Ako ima CO u zraku oko nas₂ više od 400 ppm koliko je sada, vegetacija cvjeta. Da je manji od 150 delova na milion, sva stabla bi umrla (a to bi se moglo dogoditi za milijardu godina). Sa manje od 10 dijelova CO₂ na milion bi sve biljke umrijele općenito, a s njima i svi zaista složeni oblici života.

Na prvi pogled to bi trebalo značiti da je more pravo prostranstvo za život. Zaista, Zemljini okeani sadrže stotinu puta više ugljičnog dioksida od atmosfere. Stoga bi trebalo biti puno građevinskog materijala za biljke.

U stvari, ništa nije dalje od istine. Voda u Zemljinim okeanima iznosi 1,35 kvintiliona (milijardi milijardi) tona, a atmosfera nešto više od pet kvadriliona (miliona milijardi) tona. Odnosno, u toni vode ima znatno manje CO.₂nego tona vazduha. Vodene biljke u Zemljinim okeanima gotovo uvijek imaju mnogo manje CO₂ kojima raspolažu od zemaljskih.

Da stvar bude još gora, vodene biljke imaju dobar metabolizam samo u toploj vodi. Naime, u njemu je CO₂ ponajmanje, jer se njegova rastvorljivost u vodi smanjuje sa povećanjem temperature. Dakle, alge - u poređenju sa kopnenim biljkama - postoje u uslovima konstantnog kolosalnog nedostatka CO.₂.

Zato pokušaji naučnika da izračunaju biomasu kopnenih organizama pokazuju da more, koje zauzima dvije trećine planete, daje neznatan doprinos ukupnoj biomasi. Ako uzmemo ukupnu masu ugljika - ključnog materijala u suvoj masi bilo kojeg živog bića - stanovnika zemlje, onda je jednaka 544 milijarde tona. A u tijelima stanovnika mora i okeana - samo šest milijardi tona, mrvice sa gospodarskog stola, nešto više od procenta.

Sve ovo može dovesti do mišljenja da iako je život na planetama-okeanima moguć, on će biti vrlo, vrlo neugledan. Biomasa Zemlje, da je prekrivena jednim okeanom, pod svim ostalim jednakim uslovima, bila bi, u smislu suvog ugljenika, samo 10 milijardi tona - pedeset puta manje nego sada.

Međutim, i ovdje je prerano stati na kraj vodenim svjetovima. Činjenica je da se već pri pritisku od dvije atmosfere povećava količina CO₂, koji se može rastvoriti u morskoj vodi, više se nego udvostruči (za temperaturu od 25 stepeni). Sa atmosferama četiri do pet puta gušćim od Zemljine - a to je upravo ono što biste očekivali na planetama poput TRAPPIST-1e, g i f - u vodi može biti toliko ugljičnog dioksida da će voda lokalnih okeana početi da se približava zemaljski vazduh. Drugim riječima, vodene biljke na planetama i okeanima nalaze se u mnogo boljim uvjetima nego na našoj planeti. A tamo gdje ima više zelene biomase i životinje imaju bolju bazu hrane. To jest, za razliku od Zemlje, mora planeta-okeana možda nisu pustinje, već oaze života.

Sargasove planete

Ali šta učiniti ako planeta oceana, zbog nesporazuma, još uvijek ima gustinu Zemljine atmosfere? A ovdje nije sve tako loše. Na Zemlji alge imaju tendenciju da se vežu za dno, ali tamo gdje za to nema uslova, ispostavlja se da vodene biljke mogu plivati.

Neke od sargasovih algi koriste vrećice ispunjene zrakom (oni podsjećaju na grožđe, otuda i portugalska riječ "sargasso" u nazivu Sargaskog mora) da bi pružile uzgonu, a u teoriji to vam omogućava da uzimate CO₂ iz vazduha, a ne iz vode, gde je malo. Zbog svoje plovnosti lakše obavljaju fotosintezu. Istina, takve se alge dobro razmnožavaju samo na prilično visokim temperaturama vode, pa su stoga na Zemlji relativno dobre samo na nekim mjestima, kao što je Sargaško more, gdje je voda vrlo topla. Ako je okeanska planeta dovoljno topla, onda čak ni gustina Zemljine atmosfere nije nepremostiva prepreka za morske biljke. Oni mogu uzeti CO₂ iz atmosfere, izbjegavajući probleme niske razine ugljičnog dioksida u toploj vodi.

Sargasso alge. Fotografija: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Zanimljivo je da plutajuće alge u istom Sargaskom moru stvaraju čitav plutajući ekosistem, nešto poput "plutajuće zemlje". Tamo žive rakovi, kojima je plovnost algi dovoljna da se kreću po njihovoj površini kao da je kopno. Teoretski, u mirnim područjima okeanske planete, plutajuće grupe morskih biljaka mogu razviti prilično "kopneni" život, iako tamo nećete pronaći samo kopno.

Provjerite svoju privilegiju, zemljanine

Problem identificiranja najperspektivnijih mjesta za potragu za životom je taj što za sada imamo malo podataka koji bi nam omogućili da među planetama kandidatima izdvojimo najvjerovatnije nosioce života. Sam po sebi, koncept "naseljive zone" ovdje nije najbolji pomoćnik. U njemu se smatraju pogodnim za život one planete koje od svoje zvijezde primaju dovoljnu količinu energije da podrže rezervoare tekućine barem na dijelu svoje površine. U Sunčevom sistemu i Mars i Zemlja su u zoni pogodnoj za stanovanje, ali je pri prvom kompleksu život na površini nekako neprimjetan.

Uglavnom zato što ovo nije isti svijet kao Zemlja, sa fundamentalno drugačijom atmosferom i hidrosferom. Linearna predstava u stilu "planeta-okean je Zemlja, ali samo prekrivena vodom" može nas uvesti u istu zabludu koja je postojala početkom 20. veka o podobnosti Marsa za život. Pravi oceanidi mogu se oštro razlikovati od naše planete - imaju potpuno drugačiju atmosferu, različite mehanizme stabilizacije klime, pa čak i različite mehanizme za opskrbu morskih biljaka ugljičnim dioksidom.

Detaljno razumijevanje načina na koji vodeni svjetovi zapravo funkcioniraju omogućava nam da unaprijed shvatimo koja će zona pogodna za život biti za njih, i na taj način brzo pristupiti detaljnim promatranjima takvih planeta u James Webbu i drugim obećavajućim velikim teleskopima.

Sumirajući, ne može se ne priznati da su do nedavno naše ideje o tome koji su svjetovi zaista naseljeni, a koji nisu, previše patili od antropocentrizma i geocentrizma. I, kako se sada ispostavilo, iz "sušcentrizma" - mišljenja da ako smo mi sami nastali na kopnu, onda je to najvažnije mjesto u razvoju života, i to ne samo na našoj planeti, već i na drugim suncu. Možda zapažanja u narednim godinama neće ostaviti kamen na kamenu sa ove tačke gledišta.