Możliwość życia na planetach wodnych

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Większość znanych nam planet ma większą masę niż Ziemia, ale mniej niż Saturn. Najczęściej wśród nich są „mini-neptuny” i „super-ziemie” – obiekty kilka razy masywniejsze od naszej planety. Odkrycia ostatnich lat dają coraz więcej podstaw, by sądzić, że superziemie to planety, których skład bardzo różni się od naszego. Co więcej, okazało się, że planety ziemskie w innych układach prawdopodobnie różnią się od Ziemi znacznie bogatszymi pierwiastkami i związkami światła, w tym wodą. I to jest dobry powód, by zastanawiać się, jak nadają się na całe życie.

Wspomniane wcześniej różnice między byłą Ziemią a Ziemią tłumaczy się tym, że trzy czwarte wszystkich gwiazd we Wszechświecie to czerwone karły, luminarze znacznie mniej masywne niż Słońce. Obserwacje pokazują, że otaczające je planety często znajdują się w strefie nadającej się do zamieszkania – to znaczy, gdzie otrzymują mniej więcej taką samą energię ze swojej gwiazdy, jak Ziemia ze Słońca. Co więcej, w ekosferze czerwonych karłów często znajduje się bardzo wiele planet: na przykład w „pasie Złotowłosej” gwiazdy TRAPPIST-1 znajdują się jednocześnie trzy planety.

I to jest bardzo dziwne. Zamieszkalna strefa czerwonych karłów leży w odległości milionów kilometrów od gwiazdy, a nie 150-225 milionów, jak w Układzie Słonecznym. Tymczasem kilka planet naraz nie może uformować się w milionach kilometrów od swojej gwiazdy - rozmiar jej dysku protoplanetarnego na to nie pozwoli. Tak, czerwony karzeł ma go mniej niż żółty, jak nasze Słońce, ale nie sto czy nawet pięćdziesiąt razy.

Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że astronomowie nauczyli się mniej lub bardziej dokładnie „ważyć” planety w odległych gwiazdach. A potem okazało się, że jeśli połączymy ich masę i wielkość, to okaże się, że gęstość takich planet jest dwa, a nawet trzy razy mniejsza od ziemskiej. A jest to w zasadzie niemożliwe, gdyby te planety powstały w odległości milionów kilometrów od swojej gwiazdy. Ponieważ przy tak ciasnym rozmieszczeniu promieniowanie oprawy powinno dosłownie wypchnąć większość elementów świetlnych na zewnątrz.

Tak właśnie stało się na przykład w Układzie Słonecznym. Przyjrzyjmy się Ziemi: powstała w strefie nadającej się do zamieszkania, ale woda w jej masie nie przekracza jednej tysięcznej. Jeśli gęstość wielu światów w czerwonych karłach jest od dwóch do trzech razy mniejsza, to wody tam jest nie mniej niż 10 procent, a nawet więcej. To znaczy sto razy więcej niż na Ziemi. W konsekwencji utworzyły się poza strefą zamieszkania i dopiero tam migrowały. Promieniowanie gwiezdne może łatwo pozbawić elementy świetlne stref dysku protoplanetarnego w pobliżu oprawy. Ale znacznie trudniej jest pozbawić gotową planetę, która migrowała z odległej części dysku protoplanetarnego, pierwiastków świetlnych - tam dolne warstwy są chronione przez górne. A utrata wody jest nieuchronnie raczej powolna. Typowa superziemia w strefie mieszkalnej nie będzie w stanie stracić nawet połowy swojej wody i to podczas całego istnienia np. Układu Słonecznego.

Tak więc najbardziej masywne gwiazdy we Wszechświecie często mają planety, na których jest dużo wody. To najprawdopodobniej oznacza, że takich planet jest znacznie więcej niż takich jak Ziemia. Dlatego dobrze byłoby zastanowić się, czy w takich miejscach istnieje możliwość powstania i rozwoju złożonego życia.

Potrzebujesz więcej minerałów

I tu zaczynają się wielkie problemy. Nie ma bliskich odpowiedników super-ziem z dużą ilością wody w Układzie Słonecznym, a przy braku przykładów dostępnych do obserwacji planetolodzy dosłownie nie mają od czego zacząć. Musimy przyjrzeć się diagramowi fazowemu wody i dowiedzieć się, jakie parametry będą miały dla różnych warstw planet oceanicznych.

Wykres fazowy stanu wody. Modyfikacje lodu są oznaczone cyframi rzymskimi. Prawie cały lód na Ziemi należy do grupy I_h, i bardzo mały ułamek (w górnej atmosferze) - do I_C… Zdjęcie: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Okazuje się, że jeśli na planecie wielkości Ziemi jest 540 razy więcej wody niż tutaj, to zostanie ona całkowicie pokryta oceanem głębokim na ponad sto kilometrów. Na dnie takich oceanów ciśnienie będzie tak duże, że zacznie tam tworzyć się lód takiej fazy, który pozostaje stały nawet w bardzo wysokich temperaturach, ponieważ woda jest utrzymywana w stanie stałym pod ogromnym ciśnieniem.

Jeśli dno planetarnego oceanu pokryje gruba warstwa lodu, woda w stanie ciekłym zostanie pozbawiona kontaktu ze stałymi skałami krzemianowymi. Bez takiego kontaktu zawarte w nim minerały w rzeczywistości nie będą miały skąd pochodzić. Co gorsza, cykl węglowy zostanie zakłócony.

Zacznijmy od minerałów. Bez fosforu życie - w znanych nam formach - nie może istnieć, ponieważ bez niego nie ma nukleotydów, a zatem nie ma DNA. Bez wapnia będzie trudno – na przykład nasze kości składają się z hydroksyapatytu, który nie może obejść się bez fosforu i wapnia. Czasami na Ziemi pojawiają się problemy z dostępnością niektórych pierwiastków. Na przykład w Australii i Ameryce Północnej w wielu miejscowościach wystąpił nienormalnie długi brak aktywności wulkanicznej, a w glebach w niektórych miejscach występuje dotkliwy brak selenu (wchodzi on w skład jednego z aminokwasów niezbędnych do życia). Z tego powodu krowy, owce i kozy mają niedobór selenu, a czasami prowadzi to do śmierci zwierząt gospodarskich (dodawanie selenitu do paszy dla zwierząt gospodarskich w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie jest nawet regulowane przez prawo).

Niektórzy badacze sugerują, że sam czynnik dostępności minerałów powinien uczynić oceany-planety prawdziwymi biologicznymi pustyniami, gdzie życie, jeśli istnieje, jest niezwykle rzadkie. A my po prostu nie mówimy o naprawdę skomplikowanych formach.

Zepsuty klimatyzator

Oprócz niedoborów minerałów teoretycy odkryli drugi potencjalny problem planet-oceanów - być może nawet ważniejszy niż pierwszy. Mówimy o awariach w obiegu węgla. Na naszej planecie jest głównym powodem istnienia względnie stabilnego klimatu. Zasada obiegu węgla jest prosta: gdy planeta staje się zbyt zimna, wchłanianie dwutlenku węgla przez skały gwałtownie zwalnia (proces takiego wchłaniania przebiega szybko tylko w ciepłym środowisku). Jednocześnie w tym samym tempie idą „dostawy” dwutlenku węgla wraz z erupcjami wulkanów. Gdy zmniejsza się wiązanie gazu, a podaż nie maleje, stężenie CO₂ naturalnie wzrasta. Planety, jak wiadomo, znajdują się w próżni przestrzeni międzyplanetarnej, a jedynym znaczącym dla nich sposobem utraty ciepła jest jego promieniowanie w postaci fal podczerwonych. Dwutlenek węgla pochłania takie promieniowanie z powierzchni planety, dlatego atmosfera jest lekko ocieplona. Powoduje to odparowanie pary wodnej z powierzchni wody oceanów, która również pochłania promieniowanie podczerwone (inny gaz cieplarniany). W rezultacie to właśnie CO₂ jest głównym inicjatorem procesu ogrzewania planety.

To właśnie ten mechanizm prowadzi do tego, że prędzej czy później kończą się lodowce na Ziemi. Nie dopuszcza też do jej przegrzania: w zbyt wysokich temperaturach dwutlenek węgla jest szybciej wiązany przez skały, po czym dzięki tektonice płyt skorupy ziemskiej stopniowo zatapiają się w płaszczu. poziom CO₂spada i klimat staje się chłodniejszy.

Trudno przecenić znaczenie tego mechanizmu dla naszej planety. Wyobraźmy sobie przez chwilę awarię klimatyzatora węglowego: powiedzmy, wulkany przestały wybuchać i nie dostarczają już dwutlenku węgla z wnętrzności Ziemi, która kiedyś schodziła tam ze starymi płytami kontynentalnymi. Pierwsze zlodowacenie dosłownie stanie się wieczne, ponieważ im więcej lodu na planecie, tym więcej promieniowania słonecznego odbija w kosmos. I nowa porcja CO₂ nie będzie w stanie odmrozić planety: nie będzie miała skąd pochodzić.

Tak właśnie powinno być w teorii na planetach-oceanach. Nawet jeśli aktywność wulkaniczna może czasami przebić się przez powłokę egzotycznego lodu na dnie planetarnego oceanu, nie ma w tym wiele dobrego. Rzeczywiście, na powierzchni morskiego świata po prostu nie ma skał, które mogłyby związać nadmiar dwutlenku węgla. Oznacza to, że może rozpocząć się jego niekontrolowana akumulacja i odpowiednio przegrzanie planety.

Coś podobnego – to prawda, bez planetarnego oceanu – wydarzyło się na Wenus. Na tej planecie nie ma też tektoniki płyt, chociaż nie wiadomo, dlaczego tak się stało. Dlatego tam erupcje wulkaniczne, czasami przebijając się przez skorupę, wprowadzają do atmosfery dużo dwutlenku węgla, ale powierzchnia nie może go związać: płyty kontynentalne nie opadają, a nowe nie podnoszą się. Dlatego powierzchnia istniejących płyt związała już cały CO₂, który mógłby i nie może wchłonąć więcej, a na Wenus jest tak gorąco, że ołów zawsze pozostanie tam płynem. I to pomimo faktu, że zgodnie z modelowaniem, przy ziemskiej atmosferze i obiegu węgla, ta planeta byłaby zamieszkałym bliźniakiem Ziemi.

Czy istnieje życie bez klimatyzacji?

Krytycy „ziemskiego szowinizmu” (stanowiącego, że życie jest możliwe tylko na „kopiach Ziemi”, planet o stricte ziemskich warunkach) od razu zadali pytanie: dlaczego tak naprawdę wszyscy uznali, że minerały nie będą w stanie przebić się przez warstwa egzotycznego lodu? Im mocniejsza i bardziej nieprzepuszczalna pokrywa znajduje się nad czymś gorącym, tym więcej energii gromadzi się pod nią, co ma tendencję do pękania. Oto ta sama Wenus - tektonika płyt zdaje się nie istnieć, a dwutlenek węgla uciekł z głębin w takich ilościach, że nie ma z niej życia w dosłownym tego słowa znaczeniu. W konsekwencji to samo jest możliwe z usuwaniem minerałów w górę - lite skały podczas erupcji wulkanicznych całkowicie opadają w górę.

Mimo to pozostaje inny problem - „zepsuty klimatyzator” cyklu węglowego. Czy planeta oceaniczna może bez niej nadawać się do zamieszkania?

W Układzie Słonecznym jest wiele ciał, na których dwutlenek węgla w ogóle nie pełni roli głównego regulatora klimatu. Oto, powiedzmy, Tytan, duży księżyc Saturna.

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

Ciało jest znikome w porównaniu z masą Ziemi. Powstał jednak daleko od Słońca, a promieniowanie oprawy nie „odparowało” z niego lekkich pierwiastków, w tym azotu. Daje to Tytanowi atmosferę prawie czystego azotu, tego samego gazu, który dominuje na naszej planecie. Ale gęstość jego atmosfery azotowej jest czterokrotnie większa od naszej - grawitacja jest siedmiokrotnie słabsza.

Już na pierwszy rzut oka na klimat Tytana można odnieść wrażenie, że jest on niezwykle stabilny, chociaż nie ma klimatyzatora „węglowego” w jego bezpośredniej formie. Wystarczy powiedzieć, że różnica temperatur między biegunem a równikiem Tytana wynosi tylko trzy stopnie. Gdyby sytuacja na Ziemi była taka sama, planeta byłaby znacznie bardziej zaludniona i ogólnie bardziej odpowiednia do życia.

Co więcej, obliczenia wielu grup naukowych wykazały: przy gęstości atmosfery pięć razy większej niż Ziemia, czyli o jedną czwartą wyższą niż na Tytanie, nawet efekt cieplarniany samego azotu wystarcza, aby wahania temperatury spadły prawie do zera. Na takiej planecie, w dzień iw nocy, zarówno na równiku, jak i na biegunie, temperatura byłaby zawsze taka sama. Ziemskie życie może tylko pomarzyć o takiej rzeczy.

Planety-oceany pod względem gęstości znajdują się właśnie na poziomie Tytana (1,88 g/cm³), a nie Ziemi (5,51 g/cm³). Powiedzmy, że trzy planety w ekosferze TRAPPIST-1 40 lat świetlnych od nas mają gęstość od 1,71 do 2,18 g/cm³. Innymi słowy, najprawdopodobniej takie planety mają więcej niż wystarczającą gęstość atmosfery azotowej, aby mieć stabilny klimat dzięki samemu azotowi. Dwutlenek węgla nie może zamienić ich w rozgrzaną do czerwoności Wenus, ponieważ naprawdę duża masa wody może wiązać dużo dwutlenku węgla nawet bez żadnej tektoniki płyt (dwutlenek węgla jest pochłaniany przez wodę, a im wyższe ciśnienie, tym więcej może go zawierać).

Pustynie głębinowe

Przy hipotetycznych pozaziemskich bakteriach i archeonach wszystko wydaje się proste: mogą żyć w bardzo trudnych warunkach i do tego wcale nie potrzebują obfitości wielu pierwiastków chemicznych. Trudniej jest z roślinami i wysoce zorganizowanym życiem, które żyje ich kosztem.

Tak więc planety oceaniczne mogą mieć stabilny klimat - najprawdopodobniej bardziej stabilny niż Ziemia. Możliwe też, że w wodzie jest zauważalna ilość minerałów rozpuszczonych. A jednak życia tam wcale nie ma zapusty.

Przyjrzyjmy się Ziemi. Z wyjątkiem ostatnich milionów lat, jej kraina jest niezwykle zielona, prawie pozbawiona brązowych lub żółtych plam pustynnych. Ale ocean wcale nie wygląda na zielony, z wyjątkiem niektórych wąskich stref przybrzeżnych. Dlaczego?

Rzecz w tym, że na naszej planecie ocean jest biologiczną pustynią. Życie wymaga dwutlenku węgla: „buduje” biomasę roślinną i tylko z niego można karmić biomasę zwierzęcą. Jeśli w powietrzu wokół nas jest CO₂ ponad 400 ppm, jak teraz, roślinność kwitnie. Gdyby było to mniej niż 150 części na milion, wszystkie drzewa zginęłyby (a może się to zdarzyć za miliard lat). Z mniej niż 10 częściami CO₂ na milion zginęłyby wszystkie rośliny, a wraz z nimi wszystkie naprawdę złożone formy życia.

Na pierwszy rzut oka powinno to oznaczać, że morze jest prawdziwą przestrzenią życia. Rzeczywiście, ziemskie oceany zawierają sto razy więcej dwutlenku węgla niż atmosfera. Dlatego powinno być dużo materiału budowlanego dla roślin.

W rzeczywistości nic nie jest dalsze od prawdy. Woda w oceanach Ziemi ma 1,35 trylionów (miliardów) ton, a atmosfera nieco ponad pięć biliardów (miliardów) ton. Oznacza to, że w tonie wody jest zauważalnie mniej CO.₂niż tona powietrza. Rośliny wodne w ziemskich oceanach prawie zawsze mają znacznie mniej CO₂ do ich dyspozycji niż naziemne.

Co gorsza, rośliny wodne mają dobry metabolizm tylko w ciepłej wodzie. Mianowicie w nim CO₂ najmniej dlatego, że jego rozpuszczalność w wodzie maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego glony – w porównaniu z roślinami lądowymi – żyją w warunkach stałego, kolosalnego niedoboru CO.₂.

Dlatego próby naukowców obliczania biomasy organizmów lądowych pokazują, że morze, które zajmuje dwie trzecie planety, ma niewielki udział w całkowitej biomasie. Jeśli weźmiemy całkowitą masę węgla - kluczowego materiału w suchej masie każdej żywej istoty - mieszkańców ziemi, to wynosi ona 544 miliardy ton. A w ciałach mieszkańców mórz i oceanów - tylko sześć miliardów ton, okruchy ze stołu mistrza, nieco ponad procent.

Wszystko to może prowadzić do opinii, że choć życie na planetach-oceanach jest możliwe, to będzie bardzo, bardzo brzydkie. Biomasa Ziemi, gdyby była pokryta jednym oceanem, przy wszystkich innych czynnikach bez zmian, w przeliczeniu na suchy węgiel wynosiłaby tylko 10 miliardów ton - pięćdziesiąt razy mniej niż jest teraz.

Jednak nawet tutaj jest za wcześnie, aby położyć kres światom wodnym. Faktem jest, że już przy ciśnieniu dwóch atmosfer ilość CO₂, który może rozpuszczać się w wodzie morskiej, ponad dwukrotnie (dla temperatury 25 stopni). Przy atmosferach cztery do pięciu razy gęstszych niż Ziemia – i dokładnie tego można by się spodziewać na planetach takich jak TRAPPIST-1e, g i f – w wodzie może być tak dużo dwutlenku węgla, że woda z lokalnych oceanów zacznie się zbliżać powietrze Ziemi. Innymi słowy, rośliny wodne na planetach i oceanach znajdują się w znacznie lepszych warunkach niż na naszej planecie. I tam, gdzie jest więcej biomasy zielonej, a zwierzęta mają lepszą bazę pokarmową. Oznacza to, że w przeciwieństwie do Ziemi morza planet-oceanów mogą nie być pustyniami, ale oazami życia.

Planety Sargass

Ale co zrobić, jeśli planeta oceaniczna, z powodu nieporozumienia, nadal ma gęstość atmosfery ziemskiej? I tu nie jest tak źle. Na Ziemi glony mają tendencję do przyczepiania się do dna, ale tam, gdzie nie ma ku temu warunków, okazuje się, że rośliny wodne potrafią pływać.

Niektóre algi sargassum używają worków wypełnionych powietrzem (przypominają winogrona, stąd portugalskie słowo „sargasso” w nazwie Morza Sargassowego), aby zapewnić pływalność i teoretycznie pozwala to na zabranie CO₂ z powietrza, a nie z wody, gdzie jest go mało. Ze względu na ich wyporność łatwiej im przeprowadzać fotosyntezę. To prawda, że takie glony dobrze się rozmnażają tylko przy dość wysokich temperaturach wody, dlatego na Ziemi są stosunkowo dobre tylko w niektórych miejscach, takich jak Morze Sargassowe, gdzie woda jest bardzo ciepła. Jeśli planeta oceaniczna jest wystarczająco ciepła, nawet gęstość atmosfery na Ziemi nie jest przeszkodą nie do pokonania dla roślin morskich. Mogą równie dobrze brać CO₂ z atmosfery, unikając problemów z niską zawartością dwutlenku węgla w ciepłej wodzie.

Glony Sargasso. Zdjęcie: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Co ciekawe, pływające glony w tym samym Morzu Sargassowym tworzą cały pływający ekosystem, coś w rodzaju „pływającej ziemi”. Żyją tam kraby, dla których siła wyporu glonów wystarcza, aby poruszać się po ich powierzchni jak po lądzie. Teoretycznie w spokojnych rejonach oceanicznej planety pływające grupy roślin morskich mogą rozwijać całkiem „lądowe” życie, chociaż sam lądu tam nie znajdziesz.

Sprawdź swój przywilej, ziemianko

Problem ze zidentyfikowaniem najbardziej obiecujących miejsc do poszukiwania życia polega na tym, że jak dotąd dysponujemy niewielką ilością danych, które pozwoliłyby nam wyróżnić najbardziej prawdopodobnych nosicieli życia wśród planet kandydujących. Samo pojęcie „strefy zamieszkania” nie jest tu najlepszym pomocnikiem. W nim uważa się, że nadające się do życia planety otrzymują od swojej gwiazdy wystarczającą ilość energii, aby utrzymać zbiorniki cieczy przynajmniej na części swojej powierzchni. W Układzie Słonecznym zarówno Mars, jak i Ziemia znajdują się w strefie nadającej się do zamieszkania, ale przy pierwszym złożonym życiu na powierzchni jest jakoś niedostrzegalne.

Głównie dlatego, że to nie jest ten sam świat co Ziemia, z zasadniczo inną atmosferą i hydrosferą. Reprezentacja liniowa w stylu „planeta-ocean to Ziemia, ale tylko pokryta wodą” może doprowadzić nas do tego samego złudzenia, jakie istniało na początku XX wieku, co do przydatności Marsa do życia. Prawdziwe oceanidy mogą się znacznie różnić od naszej planety - mają zupełnie inną atmosferę, inne mechanizmy stabilizacji klimatu, a nawet inne mechanizmy zaopatrywania roślin morskich w dwutlenek węgla.

Dokładne zrozumienie tego, jak faktycznie działają światy wodne, pozwala nam z góry zrozumieć, jaka będzie dla nich strefa nadająca się do zamieszkania, a tym samym szybko podejść do szczegółowych obserwacji takich planet w Jamesie Webbie i innych obiecujących dużych teleskopach.

Podsumowując, nie można nie przyznać, że do niedawna nasze wyobrażenia o tym, które światy są rzeczywiście zamieszkane, a które nie, zbyt mocno ucierpiały z powodu antropocentryzmu i geocentryzmu. I, jak się teraz okazuje, od „sushcentryzmu” – opinii, że skoro sami powstaliśmy na lądzie, to jest to najważniejsze miejsce w rozwoju życia i to nie tylko na naszej planecie, ale także w innych słońcach. Być może obserwacje nadchodzących lat nie pozostawią kamienia odwróconego z tego punktu widzenia.