Az élet lehetősége a vízi bolygókon

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Az általunk ismert bolygók többsége nagyobb tömegű, mint a Föld, de kisebb, mint a Szaturnusz. Leggyakrabban köztük vannak "mini-neptunuszok" és "szuperföldek" - olyan objektumok, amelyek néhányszor nagyobb tömegűek, mint a bolygónk. Az elmúlt évek felfedezései egyre több alapot adnak annak a feltételezésnek, hogy a szuperföldek olyan bolygók, amelyek összetétele nagyon eltér a miénktől. Sőt, az is kiderült, hogy más rendszerekben a földi bolygók valószínűleg sokkal gazdagabb fényelemekben és vegyületekben különböznek a Földtől, beleértve a vizet is. És ez jó ok arra, hogy elgondolkodjunk, mennyire alkalmasak az életre.

A volt Föld és a Föld közötti fent említett különbségeket az magyarázza, hogy az Univerzum összes csillagának háromnegyede vörös törpe, a Napnál jóval kisebb tömegű világítótestek. A megfigyelések azt mutatják, hogy a körülöttük lévő bolygók gyakran a lakható zónában vannak – vagyis ott, ahol nagyjából annyi energiát kapnak csillaguktól, mint a Föld a Naptól. Sőt, a vörös törpék lakható zónájában gyakran rendkívül sok bolygó található: a TRAPPIST-1 csillag "Aranyhatú övében" például három bolygó van egyszerre.

És ez nagyon furcsa. A vörös törpék lakható zónája a csillagtól több millió kilométerre fekszik, és nem 150-225 millióra, mint a Naprendszerben. Mindeközben több bolygó egyszerre nem tud kialakulni csillaguktól több millió kilométerre - protoplanetáris korongjának mérete ezt nem teszi lehetővé. Igen, egy vörös törpének kevesebb, mint a sárgának, mint a mi Napunknak, de nem százszor vagy akár ötvenszer sem.

A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a csillagászok megtanulták többé-kevésbé pontosan "mérni" a távoli csillagokban lévő bolygókat. Aztán kiderült, hogy ha összefüggésbe hozzuk tömegüket és méretüket, akkor kiderül, hogy az ilyen bolygók sűrűsége kétszer vagy akár háromszor kisebb, mint a Földé. Ez pedig elvileg lehetetlen, ha ezek a bolygók csillaguktól több millió kilométerre keletkeztek volna. Mert ilyen szoros elrendezésnél a lámpatest sugárzásának szó szerint kifelé kell tolnia a fényelemek nagy részét.

Pontosan ez történt például a Naprendszerben. Vessünk egy pillantást a Földre: a lakható zónában keletkezett, de a víz tömege nem haladja meg az ezreléket. Ha a vörös törpékben lévő világok sűrűsége kétszer-háromszor kisebb, akkor a víz nem kevesebb, mint 10 százalék, vagy még több is. Vagyis százszor többet, mint a Földön. Következésképpen a lakható zónán kívül alakultak ki, és csak ezután vándoroltak oda. A csillagsugárzás könnyen megfosztja a fényelemeket a protoplanetáris korong lámpatesthez közeli zónáitól. A protoplanetáris korong távoli részéből vándorolt kész bolygót azonban sokkal nehezebb megfosztani a fényelemektől - az ottani alsó rétegeket a felsők védik. A vízvesztés pedig elkerülhetetlenül lassú. Egy tipikus szuperföld a lakható zónában még a felét sem tudja elveszíteni, és például a Naprendszer teljes fennállása alatt.

Tehát az Univerzum legnagyobb tömegű csillagainak gyakran vannak olyan bolygói, amelyekben sok víz van. Ez valószínűleg azt jelenti, hogy sokkal több ilyen bolygó van, mint a Föld. Ezért jó lenne kideríteni, hogy ilyen helyeken van-e lehetőség összetett élet kialakulására és fejlődésére.

Több ásványi anyag kell

És itt kezdődnek a nagy problémák. A Naprendszerben nagy mennyiségű vizet tartalmazó szuperföldeknek nincsenek közeli analógjai, és megfigyelésre rendelkezésre álló példák hiányában a bolygókutatóknak szó szerint nincs miből kiindulniuk. Meg kell néznünk a víz fázisdiagramját, és ki kell találnunk, hogy milyen paraméterek lesznek az óceáni bolygók különböző rétegeiben.

A víz állapotának fázisdiagramja. A jégmódosításokat római számok jelzik. A Földön szinte minden jég az I. csoportba tartozik_h, és nagyon kis része (a felső légkörben) - az I_c… Kép: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Kiderült, hogy ha egy Föld méretű bolygón 540-szer több víz van, mint nálunk, akkor azt teljesen beborítja egy több mint száz kilométeres mélységű óceán. Az ilyen óceánok fenekén akkora lesz a nyomás, hogy ott ilyen fázisú jég kezd képződni, amely még nagyon magas hőmérsékleten is szilárd marad, mivel a vizet a hatalmas nyomás tartja szilárd állapotban.

Ha a bolygóóceán fenekét vastag jégréteg borítja, a folyékony víz nem érintkezik szilárd szilikát kőzetekkel. Ilyen érintkezés nélkül a benne lévő ásványoknak valójában nem lesz honnan származniuk. Ami még rosszabb, a szénciklus megszakad.

Kezdjük az ásványokkal. Foszfor nélkül az élet - az általunk ismert formákban - nem létezhet, mert nélküle nincsenek nukleotidok és ennek megfelelően DNS sem. Kalcium nélkül nehéz lesz – például a csontjaink hidroxilapatitból állnak, ami nem nélkülözheti a foszfort és a kalciumot. A Földön időnként problémák merülnek fel bizonyos elemek elérhetőségével kapcsolatban. Például Ausztráliában és Észak-Amerikában számos helyen abnormálisan hosszú ideig hiányzott a vulkáni tevékenység, a talajokban pedig helyenként súlyos szelénhiány (az élethez szükséges aminosavak egyikének része). Ettől a tehenek, juhok és kecskék szelénhiányosak, és ez időnként az állatállomány pusztulásához vezet (az Egyesült Államokban és Kanadában a szelenit takarmányozáshoz való hozzáadását még törvény is szabályozza).

Egyes kutatók azt javasolják, hogy az ásványi anyagok elérhetőségének puszta tényezője az óceánokat-bolygókat valódi biológiai sivataggá tegye, ahol az élet, ha van, rendkívül ritka. És egyszerűen nem igazán összetett formákról beszélünk.

Törött klíma

Az ásványi anyagok hiánya mellett a teoretikusok felfedezték a bolygók-óceánok egy második lehetséges problémáját is, amely talán még az elsőnél is fontosabb. A szénkörforgás hibáiról beszélünk. Bolygónkon ő a fő oka a viszonylag stabil éghajlat létezésének. A szénciklus elve egyszerű: amikor a bolygó túl hideg lesz, a szén-dioxid sziklák általi felszívódása élesen lelassul (az ilyen abszorpció folyamata csak meleg környezetben megy gyorsan). Ugyanakkor a vulkánkitörésekkel járó szén-dioxid "utánpótlás" azonos ütemben halad. Ha a gázkötés csökken, és a kínálat nem csökken, a CO₂-koncentráció természetesen emelkedik. A bolygók, mint tudják, a bolygóközi tér vákuumában vannak, és a hőveszteség egyetlen jelentős módja számukra az infravörös hullámok formájában történő kisugárzás. A szén-dioxid elnyeli az ilyen sugárzást a bolygó felszínéről, ezért a légkör enyhén felmelegszik. Ez elpárologtatja az óceánok vízfelszínéről a vízgőzt, amely az infravörös sugárzást (egy másik üvegházhatású gáz) is elnyeli. Ennek eredményeként a CO₂ az, amely a bolygó fűtési folyamatának fő iniciátora.

Ez a mechanizmus vezet ahhoz a tényhez, hogy a Földön a gleccserek előbb-utóbb véget érnek. Nem engedi túlmelegedni sem: túl magas hőmérsékleten a szén-dioxid gyorsabban megköti a kőzeteket, ami után a földkéreglemezek tektonikája miatt fokozatosan besüllyednek a köpenybe. CO szint₂esik és az éghajlat hűvösebbé válik.

Ennek a mechanizmusnak a jelentőségét bolygónk számára aligha lehet túlbecsülni. Képzeld el egy pillanatra egy szénlégkondicionáló meghibásodását: mondjuk a vulkánok abbahagyták a kitörést, és már nem szállítják ki a szén-dioxidot az egykor régi kontinentális lemezekkel leereszkedett Föld béléből. A legelső eljegesedés szó szerint örökkévaló lesz, mert minél több jég van a bolygón, annál több napsugárzást ver vissza az űrbe. És egy új adag CO₂ nem fogja tudni feloldani a bolygót: nem lesz honnan jönnie.

Elméletileg pontosan így kellene lennie a bolygókon-óceánokon. Még ha a vulkáni tevékenység időnként át is töri az egzotikus jéghéjat a bolygóóceán fenekén, nem sok jó van benne. Valójában a tengeri világ felszínén egyszerűen nincs olyan kőzet, amely megkötné a felesleges szén-dioxidot. Vagyis megkezdődhet ellenőrizetlen felhalmozódása, és ennek megfelelően a bolygó túlmelegedése.

Valami hasonló – igaz, bolygó-óceán nélkül – történt a Vénuszon. Ezen a bolygón sincs lemeztektonika, bár nem igazán tudni, hogy ez miért történt. Ezért az ottani, időnként a kérgen áttörő vulkánkitörések sok szén-dioxidot juttatnak a légkörbe, de a felszín nem tudja megkötni: a kontinentális lemezek nem süllyednek le, és nem emelkednek fel újak. Ezért a meglévő födémek felülete már lekötötte az összes CO-t₂, amely többet tud, és nem is tud felszívni, a Vénuszon pedig olyan meleg van, hogy az ólom ott mindig folyékony marad. És ez annak ellenére, hogy a modellezés szerint a Föld légkörével és szénciklusával ez a bolygó a Föld lakható ikertestvére lenne.

Van élet klíma nélkül?

A "földi sovinizmus" (az az álláspont, hogy élet csak a "Föld másolatain", a szigorúan földi feltételekkel rendelkező bolygókon lehetséges) kritikusai azonnal feltették a kérdést: valójában miért döntött úgy mindenki, hogy az ásványok nem lesznek képesek áttörni egy egzotikus jégréteg? Minél erősebb és áthatolhatatlanabb a fedél valami forrón, annál több energia halmozódik fel alatta, ami hajlamos kitörni. Itt van ugyanaz a Vénusz - úgy tűnik, hogy lemeztektonika nem létezik, és a szén-dioxid olyan mennyiségben szökött ki a mélyből, hogy a szó szó szoros értelmében nincs élet belőle. Következésképpen ugyanez lehetséges az ásványok felfelé történő eltávolításával - a szilárd kőzetek a vulkánkitörések során teljesen felfelé esnek.

Ennek ellenére továbbra is fennáll egy másik probléma - a szénciklus „elromlott légkondicionálója”. Lehet egy óceáni bolygó lakható anélkül?

A Naprendszerben számos olyan test található, amelyeken a szén-dioxid egyáltalán nem tölti be a klíma fő szabályozó szerepét. Itt van mondjuk a Titán, a Szaturnusz egy nagy holdja.

Titán. Fotó: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nantes-i Egyetem, Virginia Pasek, Arizonai Egyetem

A test a Föld tömegéhez képest elhanyagolható. Azonban a Naptól távol keletkezett, és a világítótest sugárzása nem "párologtatta el" belőle a fényelemeket, így a nitrogént sem. Ez szinte tiszta nitrogén atmoszférát ad a Titánnak, ugyanaz a gáz, amely bolygónkon uralkodik. De nitrogénatmoszférájának sűrűsége négyszer akkora, mint a miénk – a gravitáció hatására hétszer gyengébb.

A Titán klímájáról első pillantásra folyamatosan az az érzése, hogy rendkívül stabil, bár közvetlen formában nincs "karbon" klíma. Elég, ha azt mondjuk, hogy a hőmérséklet-különbség a pólus és a Titán Egyenlítője között mindössze három fok. Ha a Földön is hasonló lenne a helyzet, akkor a bolygó sokkal egyenletesebben lakott és általában alkalmasabb lenne az életre.

Sőt, számos tudományos csoport számításai kimutatták: a Föld légkörének ötszöröse, azaz negyedével nagyobb, mint a Titán légsűrűsége mellett a nitrogén üvegházhatása önmagában is elég ahhoz, hogy a hőmérséklet-ingadozások csökkenjenek. majdnem nullára. Egy ilyen bolygón éjjel-nappal, mind az egyenlítőn, mind a sarkon a hőmérséklet mindig ugyanaz lenne. A földi élet ilyesmiről csak álmodozhat.

A bolygók-óceánok sűrűségüket tekintve éppen a Titán szintjén vannak (1,88 g / cm³), és nem a Föld (5,51 g / cm³) szintjén. Tegyük fel, hogy a TRAPPIST-1 lakható zónájában tőlünk 40 fényévre három bolygó sűrűsége 1,71-2,18 g/cm³. Más szóval, nagy valószínűséggel az ilyen bolygókon több mint elegendő sűrűségű nitrogén-atmoszféra van ahhoz, hogy stabil klímát biztosítsanak egyedül a nitrogénnek köszönhetően. A szén-dioxid nem tudja őket vörösen izzó Vénuszná alakítani, mert egy igazán nagy víztömeg mindenféle lemeztektonika nélkül is sok szén-dioxidot képes megkötni (a szén-dioxidot a víz elnyeli, és minél nagyobb a nyomás, annál jobban képes magába foglalni).).

Mélytengeri sivatagok

A feltételezett földönkívüli baktériumokkal és archaeákkal minden egyszerűnek tűnik: nagyon nehéz körülmények között is élhetnek, és ehhez egyáltalán nincs szükségük sok kémiai elemre. Nehezebb a növényekkel és a magasan szervezett élettel, amely az ő költségükön él.

Tehát az óceáni bolygók klímája stabil lehet – nagy valószínűséggel stabilabb, mint a Földé. Az is előfordulhat, hogy a vízben feltűnő mennyiségű ásványi anyag van feloldva. Pedig az ottani élet egyáltalán nem húshagyó.

Vessünk egy pillantást a Földre. Az elmúlt évmilliókat leszámítva földje rendkívül zöld, szinte mentes a barna vagy sárga sivatagfoltoktól. De az óceán egyáltalán nem tűnik zöldnek, kivéve néhány szűk tengerparti zónát. Miert van az?

A helyzet az, hogy bolygónkon az óceán biológiai sivatag. Az élethez szén-dioxid kell: növényi biomasszát "épít" és csak abból lehet állati biomasszát táplálni. Ha CO van körülöttünk a levegőben₂ több mint 400 ppm, mint most, a növényzet virágzik. Ha ez kevesebb, mint 150 ppm, akkor minden fa elpusztulna (és ez egymilliárd éven belül megtörténhet). 10 résznél kevesebb CO-val₂ millióra számítva általában minden növény elpusztulna, és velük együtt az összes igazán összetett életforma.

Első pillantásra ez azt kell, hogy jelentse, hogy a tenger igazi kiterjedés az élethez. Valójában a Föld óceánjai százszor több szén-dioxidot tartalmaznak, mint a légkör. Ezért sok építőanyagnak kell lennie a növények számára.

Valójában semmi sem áll távolabb az igazságtól. A Föld óceánjainak víztartalma 1,35 kvintimillió (milliárd milliárd) tonna, a légkör pedig alig több mint öt kvadrillió (millió milliárd) tonna. Vagyis észrevehetően kevesebb CO van egy tonna vízben.₂mint egy tonna levegő. A Föld óceánjaiban élő vízinövények szinte mindig sokkal kevesebb CO-t tartalmaznak₂ rendelkezésükre állnak, mint a földiek.

A helyzetet rontja, hogy a vízi növények anyagcseréje csak meleg vízben megy végbe. Ugyanis benne a CO₂ legkevésbé azért, mert vízben való oldhatósága a hőmérséklet emelkedésével csökken. Ezért az algák - a szárazföldi növényekhez képest - állandó kolosszális CO-hiány körülményei között léteznek.₂.

Éppen ezért a tudósok kísérletei a szárazföldi élőlények biomasszájának kiszámítására azt mutatják, hogy a bolygó kétharmadát elfoglaló tenger jelentéktelen mértékben járul hozzá a teljes biomasszához. Ha vesszük a szén teljes tömegét - amely minden élőlény száraz tömegének kulcsfontosságú anyaga - a szárazföld lakóit, akkor ez 544 milliárd tonna. És a tengerek és óceánok lakóinak testében - csak hatmilliárd tonna, morzsák a mester asztaláról, valamivel több, mint egy százalék.

Mindez arra a véleményre vezethet, hogy bár élet a bolygókon-óceánokon lehetséges, az nagyon-nagyon csúnya lesz. A Föld biomasszája, ha egyetlen óceán borítaná, minden más tényező mellett, száraz szénben kifejezve mindössze 10 milliárd tonna lenne – ötvenszer kevesebb, mint most.

Azonban még itt is korai lenne véget vetni a vízi világoknak. A helyzet az, hogy már két atmoszféra nyomáson a CO mennyisége₂, amely tengervízben több mint kétszeresére tud oldódni (25 fokos hőmérséklet esetén). A Földénél négy-ötször sűrűbb légkörrel – és pontosan ez az, amit az olyan bolygókon várhatnánk, mint a TRAPPIST-1e, g és f –, akkora szén-dioxid lehet a vízben, hogy a helyi óceánok vize közeledni kezd. a Föld levegője. Más szóval, a bolygókon és az óceánokon élő vízi növények sokkal jobb körülmények között találják magukat, mint a mi bolygónkon. És ahol több a zöld biomassza, és az állatoknak jobb a táplálékalapjuk. Vagyis a Földdel ellentétben a bolygók-óceánok tengerei nem sivatagok, hanem az élet oázisai.

Sargasso bolygók

De mi a teendő, ha az óceáni bolygón egy félreértés miatt még mindig megvan a Föld légkörének sűrűsége? És nem is olyan rossz itt minden. A Földön az algák hajlamosak megtapadni a fenéken, de ahol ennek nincsenek feltételei, ott kiderül, hogy a vízi növények tudnak úszni.

Egyes sargassum algák levegővel töltött zacskókat használnak (ezek a szőlőre hasonlítanak, innen ered a portugál „sargasso” szó a Sargasso-tenger nevében), hogy biztosítsák a felhajtóerőt, és elméletileg ez lehetővé teszi a CO felvételét.₂ levegőből, és nem vízből, ahol kevés. Lebegőképességük miatt könnyebben végeznek fotoszintézist. Igaz, az ilyen algák csak meglehetősen magas vízhőmérsékleten szaporodnak jól, ezért a Földön csak néhány helyen, például a Sargasso-tengeren viszonylag jók, ahol nagyon meleg a víz. Ha az óceáni bolygó elég meleg, akkor még a Föld légköri sűrűsége sem jelent leküzdhetetlen akadályt a tengeri növények számára. Elvihetik a CO-t₂ a légkörből, elkerülve a meleg víz alacsony szén-dioxid-tartalmának problémáit.

Sargasso alga. Fotó: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Érdekes módon az ugyanabban a Sargasso-tengerben lebegő algák egy egész lebegő ökoszisztémát hoznak létre, valami olyasmit, mint egy "úszó föld". Ott élnek a rákok, amelyeknek az algák felhajtóereje elegendő ahhoz, hogy felszínükön úgy mozogjanak, mintha szárazföld lenne. Elméletileg az óceáni bolygó nyugodt területein a tengeri növények lebegő csoportjai meglehetősen "szárazföldi" életet fejleszthetnek ki, bár magát a szárazföldet ott nem találja.

Ellenőrizd a kiváltságodat, földi ember

Az életkeresés legígéretesebb helyek azonosításának problémája az, hogy egyelőre kevés olyan adat áll rendelkezésünkre, amely lehetővé tenné, hogy a jelölt bolygók közül kiemeljük a legvalószínűbb élethordozókat. Önmagában a "lakható zóna" fogalma nem a legjobb asszisztens itt. Ebben azokat a bolygókat tartják alkalmasnak az életre, amelyek elegendő mennyiségű energiát kapnak csillaguktól ahhoz, hogy felszínük legalább egy részén folyadéktározókat tartsanak fenn. A Naprendszerben a Mars és a Föld is a lakható zónában van, de az első összetett élet a felszínen valahogy észrevehetetlen.

Főleg azért, mert ez nem ugyanaz a világ, mint a Föld, alapvetően más légkörrel és hidroszférával. A "bolygó-óceán a Föld, de csak vízzel borítva" stílusú lineáris ábrázolás ugyanabba a tévhitbe vezethet, mint a 20. század elején a Mars életre való alkalmasságáról. A valódi óceániak élesen eltérhetnek bolygónktól - teljesen más légkörrel, eltérő klímastabilizációs mechanizmusokkal, sőt a tengeri növények szén-dioxiddal való ellátására is más mechanizmusokkal rendelkeznek.

A vízi világok tényleges működésének részletes megértése lehetővé teszi számunkra, hogy előre megértsük, mi lesz számukra a lakható zóna, és ezáltal gyorsan megközelíthetjük az ilyen bolygók részletes megfigyelését James Webbben és más ígéretes nagy teleszkópokban.

Összegezve, nem tudjuk de elismerni, hogy egészen a közelmúltig arról alkotott elképzeléseink, hogy mely világok valóban lakottak és melyek nem, túlságosan szenvedtek az antropocentrizmustól és a geocentrizmustól. És amint most kiderül, a "sushcentrizmusból" - abból a véleményből, hogy ha mi magunk keletkeztünk a szárazföldön, akkor ez a legfontosabb hely az élet fejlődésében, és nem csak bolygónkon, hanem más napokon is. Talán a következő évek megfigyelései ebből a szempontból nem hagynak kő kövön.