Posibilitatea vieții pe planetele acvatice

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Majoritatea planetelor pe care le cunoaștem au o masă mai mare decât Pământul, dar mai puțin decât Saturn. Cel mai adesea, printre ele se numără „mini-neptuni” și „super-pământuri” - obiecte de câteva ori mai masive decât planeta noastră. Descoperirile din ultimii ani dau tot mai multe motive pentru a crede că super-Pământurile sunt planete a căror compoziție este foarte diferită de a noastră. Mai mult, s-a dovedit că planetele terestre din alte sisteme sunt probabil să difere de Pământ în elemente și compuși lumini mult mai bogati, inclusiv apă. Și acesta este un motiv bun să ne întrebăm cât de apți sunt pentru viață.

Diferențele menționate mai sus dintre fostul Pământ și Pământ se explică prin faptul că trei sferturi din toate stelele din Univers sunt pitici roșii, lumini mult mai puțin masive decât Soarele. Observațiile arată că planetele din jurul lor se află adesea în zona locuibilă - adică unde primesc de la stea lor aproximativ aceeași energie ca Pământul de la Soare. Mai mult decât atât, există adesea extrem de multe planete în zona locuibilă a piticelor roșii: în „centrul de bucăți de aur” a stelei TRAPPIST-1, de exemplu, există trei planete simultan.

Și asta este foarte ciudat. Zona locuibilă a piticilor roșii se află la milioane de kilometri de stea, și nu la 150-225 milioane, ca în sistemul solar. Între timp, mai multe planete deodată nu se pot forma la milioane de kilometri de steaua lor - dimensiunea discului său protoplanetar nu va permite. Da, o pitică roșie o are mai puțin decât una galbenă, ca Soarele nostru, dar nu de o sută sau chiar de cincizeci de ori.

Situația se complică și mai mult de faptul că astronomii au învățat să „cântărească” planetele în stele îndepărtate mai mult sau mai puțin precis. Și apoi s-a dovedit că dacă raportăm masa și dimensiunea lor, se dovedește că densitatea unor astfel de planete este de două sau chiar de trei ori mai mică decât cea a Pământului. Și acest lucru este, în principiu, imposibil dacă aceste planete s-au format la milioane de kilometri de steaua lor. Pentru că, cu un aranjament atât de apropiat, radiația luminii ar trebui să împingă literalmente cea mai mare parte a elementelor luminoase spre exterior.

Este exact ceea ce s-a întâmplat în sistemul solar, de exemplu. Să aruncăm o privire asupra Pământului: s-a format în zona locuibilă, dar apa în masa sa nu depășește o miime. Dacă densitatea unui număr de lumi în pitici roșii este de două până la trei ori mai mică, atunci apa de acolo este nu mai puțin de 10 la sută, sau chiar mai mult. Adică de o sută de ori mai mult decât pe Pământ. În consecință, s-au format în afara zonei locuibile și abia apoi au migrat acolo. Este ușor ca radiațiile stelare să priveze elementele luminoase din zonele discului protoplanetar din apropierea luminii. Dar este mult mai dificil să privezi o planetă gata făcută care a migrat din partea îndepărtată a discului protoplanetar de elemente ușoare - straturile inferioare de acolo sunt protejate de cele superioare. Și pierderea de apă este inevitabil destul de lentă. Un super-pământ tipic din zona locuibilă nu va putea să-și piardă nici măcar jumătate din apă și pe toată durata existenței, de exemplu, a sistemului solar.

Deci, cele mai masive stele din Univers au adesea planete în care există multă apă. Acest lucru, cel mai probabil, înseamnă că există mult mai multe astfel de planete decât Pământul. Prin urmare, ar fi bine să ne dăm seama dacă în astfel de locuri există posibilitatea apariției și dezvoltării unei vieți complexe.

Am nevoie de mai multe minerale

Și de aici încep marile probleme. Nu există analogi apropiati ai super-pământurilor cu o cantitate mare de apă în sistemul solar și, în absența unor exemple disponibile pentru observare, oamenii de știință planetari nu au de unde să plece. Trebuie să ne uităm la diagrama de fază a apei și să ne dăm seama ce parametri vor fi pentru diferitele straturi ale planetelor oceanide.

Diagrama de fază a stării apei. Modificările de gheață sunt indicate cu cifre romane. Aproape toată gheața de pe Pământ aparține grupului I_h, și o fracțiune foarte mică (în atmosfera superioară) - la I_c… Imagine: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Se dovedește că dacă pe o planetă de dimensiunea Pământului există de 540 de ori mai multă apă decât aici, atunci aceasta va fi acoperită complet de un ocean la mai mult de o sută de kilometri adâncime. Pe fundul unor astfel de oceane, presiunea va fi atât de mare încât acolo va începe să se formeze gheață dintr-o astfel de fază, care rămâne solidă chiar și la temperaturi foarte ridicate, deoarece apa este ținută solidă de presiunea enormă.

Dacă fundul oceanului planetar este acoperit cu un strat gros de gheață, apa lichidă va fi lipsită de contactul cu rocile solide de silicat. Fără un astfel de contact, mineralele din el nu vor avea, de fapt, de unde să provină. Mai rău, ciclul carbonului va fi perturbat.

Să începem cu mineralele. Fără fosfor, viața - în formele cunoscute de noi - nu poate fi, deoarece fără el nu există nucleotide și, în consecință, nici ADN. Va fi dificil fără calciu - de exemplu, oasele noastre sunt compuse din hidroxilapatită, care nu se poate descurca fără fosfor și calciu. Probleme cu disponibilitatea anumitor elemente apar uneori pe Pământ. De exemplu, în Australia și America de Nord, într-o serie de localități a existat o absență anormal de lungă a activității vulcanice și în soluri în unele locuri există o lipsă severă de seleniu (face parte dintr-unul dintre aminoacizi, necesari vieții). Din aceasta, vacile, oile și caprele au deficit de seleniu, iar uneori acest lucru duce la moartea animalelor (adăugarea de selenit la hrana animalelor în Statele Unite și Canada este chiar reglementată de lege).

Unii cercetători sugerează că simplul factor al disponibilității mineralelor ar trebui să facă din oceanele-planete adevărate deșerturi biologice, unde viața, dacă există, este extrem de rară. Și pur și simplu nu vorbim despre forme cu adevărat complexe.

Aer condiționat spart

Pe lângă deficiențele minerale, teoreticienii au descoperit o a doua problemă potențială a planetelor-oceane – poate chiar mai importantă decât prima. Vorbim despre defecțiuni în ciclul carbonului. Pe planeta noastră, el este principalul motiv pentru existența unui climat relativ stabil. Principiul ciclului carbonului este simplu: atunci când planeta devine prea rece, absorbția dioxidului de carbon de către roci încetinește brusc (procesul unei astfel de absorbții are loc rapid doar într-un mediu cald). În același timp, „rezervele” de dioxid de carbon cu erupții vulcanice merg în același ritm. Când legarea gazului scade și furnizarea nu scade, concentrația de CO₂ crește în mod natural. Planetele, după cum știți, se află în vidul spațiului interplanetar, iar singura modalitate semnificativă de pierdere de căldură pentru ele este radiația sub formă de unde infraroșii. Dioxidul de carbon absoarbe astfel de radiații de la suprafața planetei, motiv pentru care atmosfera este ușor încălzită. Aceasta evaporă vaporii de apă de la suprafața apei oceanelor, care absoarbe și radiația infraroșie (un alt gaz cu efect de seră). Drept urmare, CO₂ este cel care acționează ca inițiator principal în procesul de încălzire a planetei.

Acest mecanism este cel care duce la faptul că ghețarii de pe Pământ se termină mai devreme sau mai târziu. De asemenea, nu îi permite să se supraîncălzească: la temperaturi excesiv de ridicate, dioxidul de carbon este mai repede legat de roci, după care, datorită tectonicii plăcilor scoarței terestre, acestea se scufundă treptat în manta. nivelul CO₂cade și clima devine mai rece.

Importanța acestui mecanism pentru planeta noastră poate fi cu greu supraestimată. Imaginați-vă pentru o secundă o defecțiune a unui aparat de aer condiționat cu carbon: să zicem, vulcanii au încetat să erupă și nu mai eliberează dioxid de carbon din intestinele Pământului, care odată cobora acolo cu vechile plăci continentale. Prima glaciare va deveni literalmente eternă, deoarece cu cât este mai multă gheață pe planetă, cu atât mai multă radiație solară reflectă în spațiu. Și o nouă porțiune de CO₂ nu va putea dezgheța planeta: nu va avea de unde să vină.

Exact așa ar trebui să fie, teoretic, pe planete-oceane. Chiar dacă, uneori, activitatea vulcanică poate sparge învelișul de gheață exotică de pe fundul oceanului planetar, nu este nimic bun despre asta. Într-adevăr, pe suprafața lumii mării, pur și simplu nu există roci care ar putea lega excesul de dioxid de carbon. Adică, acumularea sa necontrolată poate începe și, în consecință, supraîncălzirea planetei.

Ceva similar – adevărat, fără niciun ocean planetar – s-a întâmplat pe Venus. Nici pe această planetă nu există plăci tectonice, deși nu se știe cu adevărat de ce s-a întâmplat acest lucru. Prin urmare, erupțiile vulcanice de acolo, străpungând uneori crusta, pun mult dioxid de carbon în atmosferă, dar suprafața nu îl poate lega: plăcile continentale nu se scufundă și altele noi nu se ridică. Prin urmare, suprafața plăcilor existente a legat deja tot CO₂, care ar putea și nu poate absorbi mai mult și este atât de fierbinte pe Venus încât plumbul va rămâne întotdeauna lichid acolo. Și asta în ciuda faptului că, conform modelării, cu atmosfera Pământului și ciclul carbonului, această planetă ar fi un geamăn locuibil al Pământului.

Există viață fără aer condiționat?

Criticii „șovinismului terestru” (poziția conform căreia viața este posibilă doar pe „copii ale Pământului”, planete cu condiții strict terestre) au pus imediat întrebarea: de ce, de fapt, toată lumea a decis că mineralele nu vor putea străpunge un strat de gheață exotică? Cu cât capacul este mai puternic și mai impenetrabil peste ceva fierbinte, cu atât se acumulează mai multă energie sub el, care tinde să izbucnească. Aici este aceeași Venus - tectonica plăcilor nu pare să existe, iar dioxidul de carbon a scăpat din adâncuri în astfel de cantități încât nu există viață din ea în sensul literal al cuvântului. În consecință, același lucru este posibil cu îndepărtarea mineralelor în sus - rocile solide în timpul erupțiilor vulcanice cad complet în sus.

Chiar și așa, rămâne o altă problemă - „aerul condiționat spart” al ciclului carbonului. Poate o planetă oceanică să fie locuibilă fără ea?

Există multe corpuri în sistemul solar asupra cărora dioxidul de carbon nu joacă deloc rolul principalului regulator al climei. Iată, să zicem, Titan, o lună mare a lui Saturn.

Titan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universitatea din Nantes, Virginia Pasek, Universitatea din Arizona

Corpul este neglijabil în comparație cu masa Pământului. Cu toate acestea, s-a format departe de Soare, iar radiația luminii nu a „evaporat” din el elementele luminoase, inclusiv azotul. Acest lucru îi conferă lui Titan o atmosferă de azot aproape pur, același gaz care domină planeta noastră. Dar densitatea atmosferei sale de azot este de patru ori mai mare decât a noastră - cu gravitația este de șapte ori mai slabă.

La prima vedere asupra climei lui Titan, există un sentiment constant că este extrem de stabil, deși nu există un aparat de aer condiționat „de carbon” în forma sa directă. Este suficient să spunem că diferența de temperatură dintre pol și ecuatorul lui Titan este de doar trei grade. Dacă situația ar fi aceeași pe Pământ, planeta ar fi mult mai uniform populată și, în general, mai potrivită pentru viață.

Mai mult, calculele unui număr de grupuri științifice au arătat: cu o densitate a atmosferei de cinci ori mai mare decât cea a Pământului, adică cu un sfert mai mare decât pe Titan, chiar și efectul de seră al azotului este suficient pentru ca fluctuațiile de temperatură să scadă. la aproape zero. Pe o astfel de planetă, zi și noapte, atât la ecuator, cât și la pol, temperatura ar fi mereu aceeași. Viața pământească nu poate decât să viseze la așa ceva.

Planetele-oceanele în ceea ce privește densitatea lor sunt doar la nivelul lui Titan (1, 88 g / cm ³), și nu Pământul (5, 51 g / cm ³). Să presupunem că trei planete din zona locuibilă TRAPPIST-1, la 40 de ani lumină de noi, au o densitate de la 1,71 la 2,18 g/cm³. Cu alte cuvinte, cel mai probabil, astfel de planete au o densitate mai mult decât suficientă a atmosferei de azot pentru a avea un climat stabil doar datorită azotului. Dioxidul de carbon nu le poate transforma în Venus roșie, deoarece o masă cu adevărat mare de apă poate lega mult dioxid de carbon chiar și fără nicio tectonică a plăcilor (dioxidul de carbon este absorbit de apă și, cu cât presiunea este mai mare, cu atât îl poate conține mai mult).).

Deșerturi de adâncime

Cu ipotetice bacterii extraterestre și arhee, totul pare să fie simplu: pot trăi în condiții foarte dificile și pentru aceasta nu au nevoie deloc de o abundență de multe elemente chimice. Este mai dificil cu plantele și cu o viață extrem de organizată care trăiesc pe cheltuiala lor.

Deci, planetele oceanice pot avea o climă stabilă - foarte probabil mai stabilă decât are Pământul. De asemenea, este posibil să existe o cantitate notabilă de minerale dizolvate în apă. Și totuși, viața acolo nu există deloc Shrovetide.

Să aruncăm o privire asupra Pământului. Cu excepția ultimelor milioane de ani, pământul său este extrem de verde, aproape lipsit de pete maro sau galbene de deșerturi. Dar oceanul nu arată deloc verde, cu excepția unor zone de coastă înguste. De ce este asta?

Chestia este că pe planeta noastră oceanul este un deșert biologic. Viața are nevoie de dioxid de carbon: „construiește” biomasă vegetală și numai din aceasta poate fi hrănită biomasa animală. Dacă există CO în aerul din jurul nostru₂ peste 400 ppm, așa cum este acum, vegetația înflorește. Dacă ar fi mai puțin de 150 de părți pe milion, toți copacii ar muri (și acest lucru s-ar putea întâmpla într-un miliard de ani). Cu mai puțin de 10 părți de CO₂ la milion, toate plantele ar muri în general și, odată cu ele, toate formele de viață cu adevărat complexe.

La prima vedere, acest lucru ar trebui să însemne că marea este o adevărată întindere pentru viață. Într-adevăr, oceanele pământului conțin de o sută de ori mai mult dioxid de carbon decât atmosfera. Prin urmare, ar trebui să existe o mulțime de materiale de construcție pentru plante.

De fapt, nimic nu este mai departe de adevăr. Apa din oceanele Pământului este de 1,35 de miliarde (miliard de miliarde) de tone, iar atmosfera este de puțin peste cinci cvadrilioane (milioane de miliarde) de tone. Adică, există mult mai puțin CO într-o tonă de apă.₂decât o tonă de aer. Plantele acvatice din oceanele Pământului au aproape întotdeauna mult mai puțin CO₂ la dispoziţia lor decât cele terestre.

Pentru a înrăutăți lucrurile, plantele acvatice au o rată metabolică bună doar în apă caldă. Și anume, în ea, CO₂ mai puțin de toate, deoarece solubilitatea sa în apă scade odată cu creșterea temperaturilor. Prin urmare, algele - în comparație cu plantele terestre - există în condiții de deficiență colosală constantă de CO.₂.

De aceea, încercările oamenilor de știință de a calcula biomasa organismelor terestre arată că marea, care ocupă două treimi din planetă, are o contribuție nesemnificativă la biomasa totală. Dacă luăm masa totală de carbon - materialul cheie în masa uscată a oricărei creaturi vii - locuitorii pământului, atunci aceasta este egală cu 544 de miliarde de tone. Și în corpurile locuitorilor mărilor și oceanelor - doar șase miliarde de tone, firimituri de pe masa maestrului, puțin mai mult de un procent.

Toate acestea pot duce la opinia că, deși viața pe planete-oceane este posibilă, va fi foarte, foarte inestetică. Biomasa Pământului, dacă ar fi acoperită de un ocean, toate celelalte lucruri fiind egale, ar fi, în termeni de carbon uscat, de doar 10 miliarde de tone - de cincizeci de ori mai puțin decât este acum.

Cu toate acestea, chiar și aici este prea devreme pentru a pune capăt lumilor apei. Faptul este că deja la o presiune de două atmosfere, cantitatea de CO₂, care se poate dizolva in apa de mare, mai mult decat se dubleaza (pentru o temperatura de 25 de grade). Cu atmosfere de patru până la cinci ori mai dense decât cele ale Pământului - și la asta te-ai aștepta pe planete precum TRAPPIST-1e, g și f - poate fi atât de mult dioxid de carbon în apă încât apa oceanelor locale va începe să se apropie. aerul Pământului. Cu alte cuvinte, plantele acvatice de pe planete și oceane se găsesc în condiții mult mai bune decât pe planeta noastră. Și acolo unde există mai multă biomasă verde, iar animalele au o bază de hrană mai bună. Adică, spre deosebire de Pământ, mările planetelor-oceane s-ar putea să nu fie deșerturi, ci oaze de viață.

Planetele Sargasso

Dar ce să faci dacă planeta oceanului, din cauza unei neînțelegeri, mai are densitatea atmosferei Pământului? Și nu este totul atât de rău aici. Pe Pământ, algele tind să se atașeze de fund, dar acolo unde nu există condiții pentru acest lucru, se dovedește că plantele acvatice pot înota.

Unele dintre algele sargassum folosesc saci umpluți cu aer (seamănă cu strugurii, de unde cuvântul portughez „sargasso” în numele Mării Sargass) pentru a oferi flotabilitate și, teoretic, acest lucru vă permite să luați CO₂ din aer, și nu din apă, unde este rar. Datorită flotabilitatii lor, le este mai ușor să facă fotosinteza. Adevărat, astfel de alge se reproduc bine numai la temperaturi destul de ridicate ale apei și, prin urmare, pe Pământ sunt relativ bune doar în unele locuri, cum ar fi Marea Sargasso, unde apa este foarte caldă. Dacă planeta oceanului este suficient de caldă, atunci nici măcar densitatea atmosferică a pământului nu este un obstacol de netrecut pentru plantele marine. Ei pot lua foarte bine CO₂ din atmosferă, evitând problemele de dioxid de carbon scăzut în apa caldă.

Alge Sargasso. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Interesant este că algele plutitoare din aceeași Mare Sargasso dau naștere unui întreg ecosistem plutitor, ceva de genul „pământului plutitor”. Acolo trăiesc crabii, pentru care flotabilitatea algelor este suficientă pentru a se deplasa pe suprafața lor ca și cum ar fi pământ. Teoretic, în zonele calme ale planetei oceanice, grupurile plutitoare de plante marine pot dezvolta o viață destul de „terrestre”, deși acolo nu vei găsi pământul în sine.

Verifică-ți privilegiul, pământeanule

Problema identificării celor mai promițătoare locuri pentru căutarea vieții este că până acum avem puține date care ne-ar permite să identificăm cei mai probabili purtători de viață dintre planetele candidate. În sine, conceptul de „zonă locuibilă” nu este cel mai bun asistent aici. În ea, acele planete sunt considerate potrivite pentru viață care primesc de la stea lor o cantitate suficientă de energie pentru a susține rezervoare de lichid cel puțin pe o parte a suprafeței lor. În sistemul solar, atât Marte, cât și Pământul se află în zona locuibilă, dar la prima viață complexă de la suprafață este cumva imperceptibilă.

În principal pentru că aceasta nu este aceeași lume cu Pământul, cu o atmosferă și hidrosferă fundamental diferite. Reprezentarea liniară în stilul „planeta-ocean este Pământul, dar numai acoperit cu apă” ne poate conduce în aceeași iluzie care exista la începutul secolului al XX-lea despre adecvarea lui Marte pentru viață. Oceanidele reale pot diferi foarte mult de planeta noastră - au o atmosferă complet diferită, mecanisme diferite de stabilizare a climei și chiar mecanisme diferite de alimentare cu dioxid de carbon a plantelor marine.

O înțelegere detaliată a modului în care funcționează de fapt lumile acvatice ne permite să înțelegem în avans care va fi zona locuibilă pentru ei și, prin urmare, să ne apropiem rapid de observațiile detaliate ale unor astfel de planete în James Webb și alte telescoape mari promițătoare.

În concluzie, nu se poate decât să admită că până de curând ideile noastre despre care lumi sunt cu adevărat locuite și care nu sunt, au suferit prea mult din cauza antropocentrismului și geocentrismului. Și, după cum se dovedește acum, din „sushcentrism” - opinia că, dacă noi înșine am apărut pe uscat, atunci este cel mai important loc în dezvoltarea vieții, și nu numai pe planeta noastră, ci și în alți sori. Poate că observațiile din următorii ani nu vor lăsa o piatră neîntoarsă din acest punct de vedere.