Možnosť života na vodných planétach

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Väčšina planét, o ktorých vieme, má väčšiu hmotnosť ako Zem, no menej ako Saturn. Najčastejšie sú medzi nimi „mini-neptúny“a „super-zeme“- objekty, ktoré sú niekoľkonásobne masívnejšie ako naša planéta. Objavy posledných rokov dávajú stále viac dôvodov domnievať sa, že super-Zeme sú planéty, ktorých zloženie je veľmi odlišné od nášho. Navyše sa ukázalo, že terestrické planéty v iných systémoch sa pravdepodobne líšia od Zeme v oveľa bohatších svetelných prvkoch a zlúčeninách vrátane vody. A to je dobrý dôvod na to, aby sme sa zamysleli nad tým, nakoľko sú fit na celý život.

Vyššie uvedené rozdiely medzi bývalou Zemou a Zemou sú vysvetlené skutočnosťou, že tri štvrtiny všetkých hviezd vo vesmíre sú červení trpaslíci, svietidlá oveľa menej hmotné ako Slnko. Pozorovania ukazujú, že planéty okolo nich sú často v obývateľnej zóne – teda tam, kde dostávajú od svojej hviezdy približne rovnakú energiu ako Zem od Slnka. Navyše, v obývateľnej zóne červených trpaslíkov je často extrémne veľa planét: napríklad v „páse Zlatovlásky“hviezdy TRAPPIST-1 sú tri planéty naraz.

A to je veľmi zvláštne. Obytná zóna červených trpaslíkov leží v miliónoch kilometrov od hviezdy a nie 150-225 miliónov ako v slnečnej sústave. Medzitým niekoľko planét naraz nemôže vzniknúť v miliónoch kilometrov od svojej hviezdy - veľkosť jej protoplanetárneho disku to nedovolí. Áno, červený trpaslík ho má menej ako žltý, ako naše Slnko, ale nie sto, ba ani päťdesiatkrát.

Situáciu ešte viac komplikuje fakt, že astronómovia sa naučili viac či menej presne „vážiť“planéty vo vzdialených hviezdach. A potom sa ukázalo, že ak porovnáme ich hmotnosť a veľkosť, ukáže sa, že hustota takýchto planét je dvakrát alebo dokonca trikrát menšia ako hustota Zeme. A to je v princípe nemožné, ak by tieto planéty vznikli v miliónoch kilometrov od svojej hviezdy. Pretože pri takomto blízkom usporiadaní by žiarenie svietidla malo doslova vytlačiť väčšinu svetelných prvkov smerom von.

Presne to sa stalo napríklad v slnečnej sústave. Pozrime sa na Zem: vznikla v obývateľnej zóne, ale voda v jej hmotnosti nie je väčšia ako jedna tisícina. Ak je hustota niekoľkých svetov v červených trpaslíkoch dvakrát až trikrát nižšia, potom je tam voda najmenej 10 percent alebo dokonca viac. Teda stokrát viac ako na Zemi. V dôsledku toho sa vytvorili mimo obývateľnej zóny a až potom tam migrovali. Pre hviezdne žiarenie je ľahké pripraviť svetelné prvky o zóny protoplanetárneho disku v blízkosti svietidla. Oveľa ťažšie je ale pripraviť hotovú planétu, ktorá migrovala zo vzdialenej časti protoplanetárneho disku, o ľahké prvky – tam sú spodné vrstvy chránené hornými. A strata vody je nevyhnutne dosť pomalá. Typická superzem v obývateľnej zóne nestihne stratiť ani polovicu vody a počas celej existencie napríklad slnečnej sústavy.

Najhmotnejšie hviezdy vo vesmíre majú teda často planéty, v ktorých je veľa vody. To s najväčšou pravdepodobnosťou znamená, že takýchto planét je oveľa viac ako Zem. Preto by bolo dobré zistiť, či na takýchto miestach existuje možnosť vzniku a rozvoja zložitého života.

Potrebujete viac minerálov

A tu začínajú veľké problémy. V slnečnej sústave neexistujú žiadne blízke analógy superzemí s veľkým množstvom vody a pri absencii príkladov dostupných na pozorovanie planetárni vedci doslova nemajú z čoho vychádzať. Musíme sa pozrieť na fázový diagram vody a zistiť, aké parametre budú mať rôzne vrstvy oceánskych planét.

Fázový diagram stavu vody. Úpravy ľadu sú označené rímskymi číslicami. Takmer všetok ľad na Zemi patrí do skupiny I_ha veľmi malý zlomok (v hornej atmosfére) - do I_c… Obrázok: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Ukazuje sa, že ak je na planéte veľkosti Zeme 540-krát viac vody ako tu, potom ju úplne pokryje viac ako sto kilometrov hlboký oceán. Na dne takýchto oceánov bude tlak taký veľký, že sa tam začne vytvárať ľad takejto fázy, ktorý zostáva pevný aj pri veľmi vysokých teplotách, keďže voda je vďaka obrovskému tlaku pevná.

Ak je dno planetárneho oceánu pokryté hrubou vrstvou ľadu, tekutá voda bude zbavená kontaktu s pevnými silikátovými horninami. Bez takéhoto kontaktu sa minerály v ňom v skutočnosti nebudú mať odkiaľ vziať. Horšie je, že sa naruší uhlíkový cyklus.

Začnime s minerálmi. Bez fosforu život - v nám známych formách - nemôže existovať, pretože bez neho neexistujú žiadne nukleotidy a teda ani DNA. Bez vápnika to pôjde len ťažko – naše kosti sú napríklad zložené z hydroxylapatitu, ktorý sa nezaobíde bez fosforu a vápnika. Na Zemi občas vznikajú problémy s dostupnosťou určitých prvkov. Napríklad v Austrálii a Severnej Amerike bola na viacerých lokalitách abnormálne dlhá absencia sopečnej činnosti a v pôdach je miestami výrazný nedostatok selénu (je súčasťou jednej z aminokyselín nevyhnutných pre život). Z toho majú kravy, ovce a kozy nedostatok selénu a niekedy to vedie k úhynu dobytka (pridávanie seleničitanu do krmiva pre hospodárske zvieratá v USA a Kanade je dokonca regulované zákonom).

Niektorí výskumníci naznačujú, že samotný faktor dostupnosti minerálov by mal z oceánov-planét urobiť skutočné biologické púšte, kde je život, ak existuje, extrémne zriedkavý. A to jednoducho nehovoríme o skutočne zložitých formách.

Pokazená klimatizácia

Okrem nedostatku minerálov objavili teoretici aj druhý potenciálny problém planét – oceánov – možno ešte dôležitejší ako ten prvý. Hovoríme o poruchách v uhlíkovom cykle. Na našej planéte je hlavným dôvodom existencie relatívne stabilnej klímy. Princíp uhlíkového cyklu je jednoduchý: keď sa planéta príliš ochladí, absorpcia oxidu uhličitého horninami sa prudko spomalí (proces takejto absorpcie prebieha rýchlo iba v teplom prostredí). Rovnakým tempom zároveň idú „zásoby“oxidu uhličitého sopečnými erupciami. Keď sa väzba plynu zníži a dodávka sa nezníži, koncentrácia CO₂ prirodzene stúpa. Planéty, ako viete, sú vo vákuu medziplanetárneho priestoru a jediným významným spôsobom straty tepla je pre nich jeho vyžarovanie vo forme infračervených vĺn. Oxid uhličitý takéto žiarenie z povrchu planéty pohlcuje, preto sa atmosféra mierne ohrieva. Tým sa odparuje vodná para z vodnej hladiny oceánov, ktorá zároveň pohlcuje infračervené žiarenie (ďalší skleníkový plyn). V dôsledku toho je to CO₂, ktorý pôsobí ako hlavný iniciátor v procese zahrievania planéty.

Práve tento mechanizmus vedie k tomu, že ľadovce na Zemi skôr či neskôr skončia. Nedovolí mu ani prehriatie: pri nadmerne vysokých teplotách je oxid uhličitý rýchlejšie viazaný horninami, po ktorých v dôsledku tektoniky dosiek zemskej kôry postupne klesajú do plášťa. úroveň CO₂klesá a klíma sa ochladzuje.

Význam tohto mechanizmu pre našu planétu možno len ťažko preceňovať. Predstavte si na chvíľu poruchu uhlíkovej klimatizácie: povedzme, sopky prestali vybuchovať a už nedodávajú oxid uhličitý z útrob Zeme, ktorý tam kedysi zostupoval so starými kontinentálnymi platňami. Hneď prvé zaľadnenie sa stane doslova večným, pretože čím viac ľadu je na planéte, tým viac slnečného žiarenia odráža do vesmíru. A nová časť CO₂ nebude môcť rozmraziť planétu: nebude mať odkiaľ prísť.

Presne tak by to teoreticky malo byť na planétach-oceánoch. Aj keď sopečná činnosť občas dokáže preraziť škrupinu exotického ľadu na dne planetárneho oceánu, nie je na tom nič dobré. V skutočnosti na povrchu morského sveta jednoducho nie sú žiadne kamene, ktoré by mohli viazať prebytočný oxid uhličitý. To znamená, že môže začať jeho nekontrolovaná akumulácia, a teda aj prehrievanie planéty.

Niečo podobné – pravda, bez akéhokoľvek planetárneho oceánu – sa stalo na Venuši. Ani na tejto planéte nie je platňová tektonika, aj keď nie je presne známe, prečo sa tak stalo. Preto tam sopečné erupcie, ktoré sa občas predierajú cez kôru, uvoľňujú do atmosféry veľa oxidu uhličitého, ale povrch ho nedokáže viazať: kontinentálne platne neklesajú a nové nevystupujú. Preto povrch existujúcich dosiek už viazal všetok CO₂, ktorý by mohol a nemôže absorbovať viac a na Venuši je tak horúco, že olovo tam vždy zostane kvapalinou. A to aj napriek tomu, že podľa modelovania by s atmosférou Zeme a uhlíkovým cyklom bola táto planéta obývateľným dvojčaťom Zeme.

Existuje život bez klimatizácie?

Kritici „pozemského šovinizmu“(postoj, že život je možný len na „kópiách Zeme“, planétach s prísne pozemskými podmienkami) si okamžite položili otázku: prečo sa vlastne všetci rozhodli, že nerasty nedokážu preraziť? vrstva exotického ľadu? Čím je viečko nad niečím horúcim pevnejšie a nepriechodnejšie, tým viac energie sa pod ním hromadí, ktorá má tendenciu praskať. Tu je tá istá Venuša - zdá sa, že dosková tektonika neexistuje a oxid uhličitý unikol z hlbín v takom množstve, že z neho nie je život v doslovnom zmysle slova. V dôsledku toho je to isté možné s odstraňovaním minerálov smerom nahor - pevné horniny počas sopečných erupcií úplne padajú nahor.

Napriek tomu zostáva ďalší problém - „pokazená klimatizácia“uhlíkového cyklu. Môže byť oceánska planéta obývateľná aj bez nej?

V slnečnej sústave je veľa telies, na ktorých oxid uhličitý vôbec nehrá úlohu hlavného regulátora klímy. Tu je povedzme Titan, veľký mesiac Saturna.

titán. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona

Teleso je v porovnaní s hmotnosťou Zeme zanedbateľné. Vzniklo však ďaleko od Slnka a žiarenie svietidla z neho „nevyparilo“svetelné prvky vrátane dusíka. To dáva Titanu atmosféru takmer čistého dusíka, rovnakého plynu, ktorý dominuje našej planéte. Hustota jeho dusíkovej atmosféry je však štyrikrát väčšia ako naša – s gravitáciou je sedemkrát slabšia.

Už pri prvom pohľade na klímu Titanu je stabilný pocit, že je mimoriadne stabilný, hoci v jeho priamej forme neexistuje žiadna „uhlíková“klimatizácia. Stačí povedať, že teplotný rozdiel medzi pólom a rovníkom Titanu je len tri stupne. Ak by bola situácia rovnaká aj na Zemi, planéta by bola oveľa rovnomernejšie osídlená a celkovo vhodnejšia pre život.

Výpočty viacerých vedeckých skupín navyše ukázali: s hustotou atmosféry päťkrát vyššou ako na Zemi, teda o štvrtinu vyššou ako na Titane, dokonca aj samotný skleníkový efekt dusíka stačí na zníženie teplotných výkyvov. takmer na nulu. Na takejto planéte by bola teplota vo dne aj v noci, na rovníku aj na póle, vždy rovnaká. O niečom takom môže pozemský život len snívať.

Planéty-oceány sú z hľadiska ich hustoty práve na úrovni Titanu (1,88 g/cm³), a nie Zeme (5,51g/cm³). Povedzme, že tri planéty v obývateľnej zóne TRAPPIST-1 40 svetelných rokov od nás majú hustotu od 1,71 do 2,18 g/cm³. Inými slovami, takéto planéty majú s najväčšou pravdepodobnosťou viac než dostatočnú hustotu dusíkovej atmosféry na to, aby mali stabilnú klímu vďaka samotnému dusíku. Oxid uhličitý ich nedokáže premeniť na rozžeravenú Venušu, pretože naozaj veľká masa vody dokáže viazať veľa oxidu uhličitého aj bez akejkoľvek platňovej tektoniky (oxid uhličitý je absorbovaný vodou a čím vyšší je tlak, tým viac ho môže obsahovať).

Hlbokomorské púšte

S hypotetickými mimozemskými baktériami a archaeami sa všetko zdá byť jednoduché: môžu žiť vo veľmi ťažkých podmienkach a na to vôbec nepotrebujú nadbytok mnohých chemických prvkov. S rastlinami a vysoko organizovaným životom žijúcim na ich úkor je to ťažšie.

Takže oceánske planéty môžu mať stabilnú klímu - veľmi pravdepodobne stabilnejšiu ako Zem. Je tiež možné, že vo vode je značné množstvo rozpustených minerálov. A predsa tam život vôbec nie je masopust.

Poďme sa pozrieť na Zem. S výnimkou posledných miliónov rokov je jeho zem extrémne zelená, takmer bez hnedých alebo žltých škvŕn púští. Ale oceán nevyzerá vôbec zelený, s výnimkou niektorých úzkych pobrežných zón. prečo je to tak?

Ide o to, že na našej planéte je oceán biologickou púšťou. Život si vyžaduje oxid uhličitý: „buduje“rastlinnú biomasu a len z nej možno živiť živočíšnu biomasu. Ak je vo vzduchu okolo nás CO₂ viac ako 400 ppm ako teraz, vegetácia kvitne. Ak by to bolo menej ako 150 častí na milión, všetky stromy by zomreli (a to sa môže stať za miliardu rokov). S menej ako 10 časťami CO₂ na milión by vo všeobecnosti odumreli všetky rastliny a s nimi aj všetky skutočne zložité formy života.

Na prvý pohľad by to malo znamenať, že more je skutočnou oblasťou pre život. Zemské oceány skutočne obsahujú stokrát viac oxidu uhličitého ako atmosféra. Preto by malo byť veľa stavebného materiálu pre rastliny.

V skutočnosti nič nie je ďalej od pravdy. Voda v oceánoch Zeme je 1,35 kvintilióna (miliardy miliárd) ton a atmosféra len niečo vyše päť kvadriliónov (miliónov miliárd) ton. To znamená, že v tone vody je výrazne menej CO.₂ako tona vzduchu. Vodné rastliny v oceánoch Zeme majú takmer vždy oveľa menej CO₂ majú k dispozícii ako tie pozemské.

Aby toho nebolo málo, vodné rastliny majú dobrú rýchlosť metabolizmu len v teplej vode. Totiž v ňom CO₂ najmenej, pretože jeho rozpustnosť vo vode so zvyšujúcou sa teplotou klesá. Preto riasy - v porovnaní so suchozemskými rastlinami - existujú v podmienkach neustáleho kolosálneho nedostatku CO.₂.

Preto pokusy vedcov o výpočet biomasy suchozemských organizmov ukazujú, že more, ktoré zaberá dve tretiny planéty, má na celkovej biomase zanedbateľný podiel. Ak vezmeme celkovú hmotnosť uhlíka - kľúčového materiálu v sušine akéhokoľvek živého tvora - obyvateľov krajiny, potom sa rovná 544 miliardám ton. A v telách obyvateľov morí a oceánov - iba šesť miliárd ton, omrvinky z majstrovského stola, o niečo viac ako percento.

To všetko môže viesť k názoru, že hoci život na planétach-oceánoch je možný, bude veľmi, veľmi nevzhľadný. Biomasa Zeme, ak by bola pokrytá jedným oceánom pri zachovaní všetkých ostatných vecí, by bola, pokiaľ ide o suchý uhlík, iba 10 miliárd ton - päťdesiatkrát menej ako teraz.

Aj tu je však priskoro skoncovať s vodnými svetmi. Faktom je, že už pri tlaku dvoch atmosfér je množstvo CO₂, ktorý sa môže rozpustiť v morskej vode, viac ako dvojnásobne (pri teplote 25 stupňov). S atmosférami štyri až päťkrát hustejšími ako má Zem – a to je presne to, čo by ste očakávali na planétach ako TRAPPIST-1e, g a f – môže byť vo vode toľko oxidu uhličitého, že sa voda miestnych oceánov začne približovať. zemský vzduch. Inými slovami, vodné rastliny na planétach a oceánoch sa nachádzajú v oveľa lepších podmienkach ako na našej planéte. A kde je viac zelenej biomasy a zvieratá majú lepšiu potravinovú základňu. To znamená, že na rozdiel od Zeme nemusia byť moria planét – oceánov púšťami, ale oázami života.

Sargasové planéty

Čo však robiť, ak má oceánska planéta v dôsledku nedorozumenia stále hustotu atmosféry Zeme? A všetko tu nie je také zlé. Na Zemi majú riasy tendenciu sa prichytávať na dne, no tam, kde na to nie sú podmienky, sa ukazuje, že vodné rastliny môžu plávať.

Niektoré sargasové riasy využívajú vzduchom naplnené vaky (pripomínajú hrozno, odtiaľ portugalské slovo „sargasso“v názve Sargasového mora) na zabezpečenie vztlaku, čo vám teoreticky umožňuje prijímať CO₂ zo vzduchu, a nie z vody, kde je jej málo. Vďaka ich vztlaku je pre nich jednoduchšie robiť fotosyntézu. Je pravda, že takéto riasy sa dobre rozmnožujú iba pri pomerne vysokých teplotách vody, a preto sú na Zemi relatívne dobré iba na niektorých miestach, napríklad v Sargasovom mori, kde je voda veľmi teplá. Ak je oceánska planéta dostatočne teplá, potom ani hustota atmosféry Zeme nie je neprekonateľnou prekážkou pre morské rastliny. Môžu dobre brať CO₂ z atmosféry, čím sa zabráni problémom s nízkym obsahom oxidu uhličitého v teplej vode.

Sargasové riasy. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Zaujímavé je, že plávajúce riasy v tom istom Sargasovom mori dávajú vzniknúť celému plávajúcemu ekosystému, niečomu ako „plávajúca zem“. Žijú tam kraby, ktorým stačí vztlak rias, aby sa na ich povrchu pohybovali ako na súši. Teoreticky, v pokojných oblastiach oceánskej planéty môžu plávajúce skupiny morských rastlín vyvinúť celkom „suchozemský“život, aj keď samotnú pevninu tam nenájdete.

Skontrolujte svoje privilégium, pozemšťan

Problémom identifikácie najsľubnejších miest na hľadanie života je, že zatiaľ máme málo údajov, ktoré by nám umožnili vyčleniť najpravdepodobnejších nositeľov života spomedzi kandidátskych planét. Samotný pojem „obývateľná zóna“tu nie je najlepším pomocníkom. V nej sa za vhodné pre život považujú tie planéty, ktoré dostávajú od svojej hviezdy dostatočné množstvo energie na to, aby aspoň na časti svojho povrchu podporili zásobníky tekutín. V Slnečnej sústave sú Mars aj Zem v obývateľnej zóne, no pri prvom komplexnom živote na povrchu je akosi nepostrehnuteľný.

Predovšetkým preto, že toto nie je rovnaký svet ako Zem, so zásadne odlišnou atmosférou a hydrosférou. Lineárne znázornenie v štýle „planéta-oceán je Zem, ale iba pokrytá vodou“nás môže priviesť do rovnakého klamu, aký existoval na začiatku 20. storočia o vhodnosti Marsu pre život. Skutočné oceánidy sa môžu výrazne líšiť od našej planéty – majú úplne inú atmosféru, iné mechanizmy stabilizácie klímy a dokonca aj iné mechanizmy zásobovania morských rastlín oxidom uhličitým.

Detailné pochopenie toho, ako vlastne vodné svety fungujú, nám umožňuje vopred pochopiť, aká bude pre ne obývateľná zóna, a tak rýchlo pristúpiť k detailným pozorovaniam takýchto planét v Jamesovi Webbovi a ďalších sľubných veľkých teleskopoch.

Keď to zhrnieme, nemožno nepripustiť, že až donedávna naše predstavy o tom, ktoré svety sú skutočne obývané a ktoré nie, príliš trpeli antropocentrizmom a geocentrizmom. A ako sa teraz ukazuje, zo „sushcentrizmu“– názor, že ak sme my sami povstali na súši, tak je to najdôležitejšie miesto vo vývoji života, a to nielen na našej planéte, ale aj na iných slnkách. Snáď postrehy najbližších rokov nenechajú z tohto pohľadu kameň na kameni.