Mogućnost života na vodenim planetima

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Većina planeta za koje znamo su veće mase od Zemlje, ali manje od Saturna. Najčešće među njima postoje "mini-neptuni" i "super-zemlje" - objekti koji su nekoliko puta masivniji od našeg planeta. Otkrića posljednjih godina daju sve više osnova za vjerovanje da su super-Zemlje planeti čiji se sastav uvelike razlikuje od našeg. Štoviše, pokazalo se da će se zemaljski planeti u drugim sustavima vjerojatno 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.

Spomenute razlike između bivše Zemlje i Zemlje objašnjavaju se činjenicom da su tri četvrtine svih zvijezda u Svemiru crveni patuljci, svjetiljke puno manje masivne od Sunca. Promatranja pokazuju da se planeti oko njih često nalaze u zoni pogodnoj za stanovanje – odnosno gdje od svoje zvijezde primaju otprilike istu energiju kao i Zemlja od Sunca. Štoviše, u zoni za nastanjivanje crvenih patuljaka često postoji iznimno mnogo planeta: u "pojasu Zlatokosa" zvijezde TRAPPIST-1, na primjer, postoje tri planeta odjednom.

A ovo je jako čudno. Naseljiva zona crvenih patuljaka nalazi se u milijunima kilometara od zvijezde, a ne 150-225 milijuna, kao u Sunčevom sustavu. U međuvremenu, nekoliko planeta odjednom ne može se formirati u milijunima kilometara od svoje zvijezde - veličina njegovog protoplanetarnog diska to neće dopustiti. Da, crveni patuljak ga ima manje od žutog, kao naše Sunce, ali ne sto ili čak pedeset puta.

Situaciju dodatno komplicira činjenica da su astronomi naučili manje-više točno "vagati" planete u udaljenim zvijezdama. A onda se pokazalo da ako povežemo njihovu masu i veličinu, ispada da je gustoća takvih planeta dva ili čak tri puta manja od Zemljine. A to je, u principu, nemoguće da su ti planeti nastali milijunima kilometara od svoje zvijezde. Budući da bi pri tako bliskom rasporedu zračenje svjetiljke trebalo doslovno potisnuti glavninu svjetlosnih elemenata prema van.

Upravo se to dogodilo u Sunčevom sustavu, na primjer. Pogledajmo Zemlju: nastala je u zoni za stanovanje, ali voda u svojoj masi nije veća od jedne tisućinke. Ako je gustoća 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. Posljedično, formirali su se izvan naseljive zone i tek onda tamo migrirali. Zvjezdano zračenje lako može lišiti svjetlosne elemente zona protoplanetarnog diska blizu svjetiljke. No, puno je teže oduzeti gotov planet koji je migrirao s 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 izgubiti ni polovicu vode, a tijekom cijelog postojanja, primjerice, Sunčevog sustava.

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

Treba više minerala

I tu počinju veliki problemi. U Sunčevom sustavu nema bliskih analoga super-zemlja s velikom količinom vode, a u nedostatku primjera dostupnih za promatranje, planetarni znanstvenici doslovno nemaju od čega krenuti. Moramo pogledati fazni dijagram vode i shvatiti koji će parametri biti za različite slojeve oceanskih planeta.

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

Ispada da ako na planetu veličine Zemlje ima 540 puta više vode nego ovdje, onda će ga potpuno prekriti ocean dubok više od stotinu kilometara. Na dnu takvih oceana tlak će biti toliki da će se tamo početi stvarati led takve faze, koji ostaje čvrst i pri vrlo visokim temperaturama, budući da se voda čvrstom drži ogromnim pritiskom.

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

Krenimo od minerala. Bez fosfora život - u nama poznatim oblicima - ne može biti, jer bez njega nema nukleotida i, prema tome, nema DNK. Bit će teško bez kalcija – na primjer, naše kosti su sastavljene od hidroksilapatita, koji ne može bez fosfora i kalcija. Problemi s dostupnošću određenih elemenata ponekad se javljaju na Zemlji. Primjerice, u Australiji i Sjevernoj Americi na nizu lokaliteta je bilo abnormalno dugo izostanka vulkanske aktivnosti, a u tlima ponegdje 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 čimbenik dostupnosti minerala trebao oceane-planete učiniti pravim biološkim pustinjama, gdje je život, ako postoji, iznimno rijedak. I jednostavno ne govorimo o stvarno složenim oblicima.

Pokvarena klima

Uz nedostatke minerala, teoretičari su otkrili i drugi potencijalni problem planeta-oceana – možda čak i važniji od prvog. Govorimo o kvarovima u ciklusu ugljika. Na našem planetu on je glavni razlog postojanja relativno stabilne klime. Princip ciklusa ugljika je jednostavan: kada planetu postane previše hladno, apsorpcija ugljičnog dioksida od strane stijena naglo se usporava (proces takve apsorpcije brzo se odvija samo u toplom okruženju). Istodobno, "zalihe" ugljičnog dioksida s vulkanskim erupcijama idu istim tempom. Kada se vezanje plina smanji, a opskrba se ne smanji, koncentracija CO₂ prirodno raste. Planeti su, kao što znate, u vakuumu međuplanetarnog prostora, a jedini značajan način gubitka topline za njih je njegovo zračenje u obliku infracrvenih valova. Ugljični dioksid apsorbira takvo zračenje s površine planeta, zbog čega je atmosfera lagano zagrijana. Time se isparava vodena para s vodene površine oceana, koja također apsorbira infracrveno zračenje (još jedan staklenički plin). Kao rezultat toga, CO₂ djeluje kao glavni inicijator u procesu zagrijavanja planeta.

Upravo taj mehanizam dovodi do činjenice da glečeri na Zemlji prije ili kasnije završavaju. Također ne dopušta da se pregrije: pri pretjerano visokim temperaturama ugljični dioksid se brže veže za stijene, nakon čega, zbog tektonike ploča zemljine kore, postupno tonu u plašt. razina CO₂pada i klima postaje hladnija.

Važnost ovog mehanizma za naš planet teško se može precijeniti. Zamislite na sekundu kvar ugljičnog 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 doslovno će postati vječna, jer što je više leda na planetu, to više sunčevog zračenja odbija u svemir. I novi dio CO₂ neće moći odmrznuti planet: neće imati odakle doći.

Upravo bi tako, u teoriji, trebalo biti na planetima-oceanima. Čak i ako vulkanska aktivnost povremeno može probiti ljusku egzotičnog leda na dnu planetarnog oceana, malo je toga dobrog u tome. Doista, na površini svijeta mora jednostavno nema stijena koje bi mogle vezati višak ugljičnog dioksida. Odnosno, može početi njegovo nekontrolirano nakupljanje i, sukladno tome, pregrijavanje planeta.

Nešto slično – istina, bez ikakvog planetarnog oceana – dogodilo se na Veneri. Ni na ovom planetu nema tektonike ploča, iako se zapravo ne zna zašto se to dogodilo. Stoga tamošnje vulkanske erupcije, koje se ponekad probijaju 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 tamo uvijek ostati tekućina. I to unatoč činjenici da bi, prema modeliranju, sa Zemljinom atmosferom i ciklusom ugljika, ovaj planet bio nastanjivi blizanac Zemlje.

Ima li života bez klime?

Kritičari "zemaljskog šovinizma" (stav da je život moguć samo na "kopijama Zemlje", planetima sa strogo zemaljskim uvjetima) odmah su postavili pitanje: zašto su, zapravo, svi odlučili da minerali neće moći probiti sloj egzotičnog leda? Što je poklopac jači i neprobojniji nad nečim vrućim, to se ispod njega nakuplja više energije koja teži izbijanju. Ovdje je ista Venera - 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. Posljedično, isto je moguće i s uklanjanjem minerala prema gore - čvrste stijene tijekom vulkanskih erupcija potpuno padaju prema gore.

Čak i tako, ostaje još jedan problem - "pokvareni klima uređaj" ciklusa ugljika. Može li oceanski planet biti nastanjen bez njega?

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

titanijum. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Sveučilište u Nantesu, Virginia Pasek, Sveučilište Arizona

Tijelo je zanemarivo u usporedbi sa masom Zemlje. Međutim, nastao je daleko od Sunca, a zračenje svjetiljke nije "isparilo" iz njega svjetlosne elemente, uključujući dušik. To Titanu daje atmosferu gotovo čistog dušika, istog plina koji dominira našim planetom. Ali gustoća njegove dušične atmosfere četiri je puta veća od naše - s gravitacijom je sedam puta slabija.

Već na prvi pogled na Titanovu klimu ostaje postojan osjećaj da je izuzetno stabilan, iako u izravnom obliku nema "ugljičnog" klima uređaja. Dovoljno je reći da je temperaturna razlika između pola i ekvatora Titana samo tri stupnja. Da je ista situacija na Zemlji, planet bi bio puno ravnomjernije naseljen i općenito prikladniji za život.

Štoviše, izračuni brojnih znanstvenih skupina pokazali su: s gustoćom atmosfere pet puta većom od one na Zemlji, odnosno četvrtinom višom nego na Titanu, čak je i učinak staklenika samog dušika sasvim dovoljan za smanjenje temperaturnih fluktuacija na gotovo nulu. Na takvom planetu, danju i noću, i na ekvatoru i na polu, temperatura bi uvijek bila ista. Zemaljski život o takvom nečemu može samo sanjati.

Planeti-oceani po svojoj gustoći su upravo na razini Titana (1,88 g/cm³), a ne Zemlje (5,51 g/cm³). Recimo, tri planeta u nastanjivoj zoni TRAPPIST-1 40 svjetlosnih godina od nas imaju gustoću od 1,71 do 2,18 g/cm³. Drugim riječima, najvjerojatnije, takvi planeti imaju više nego dovoljnu gustoću dušikove atmosfere da imaju stabilnu klimu samo zbog dušika. Ugljični dioksid ih ne može pretvoriti u užarenu Veneru, jer zaista velika masa vode može vezati puno ugljičnog dioksida čak i bez ikakve tektonike ploča (ugljični dioksid se apsorbira u vodu, a što je veći tlak, to ga više može sadržavati).

Dubokomorske pustinje

Čini se da je s hipotetskim izvanzemaljskim bakterijama i arhejama sve jednostavno: mogu živjeti u vrlo teškim uvjetima, a za to im uopće nije potrebno obilje mnogih kemijskih elemenata. Teže je s biljkama i visoko organiziranim životom koji žive na njihov račun.

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

Pogledajmo Zemlju. Osim posljednjih milijuna godina, njegova je zemlja izrazito zelena, gotovo bez smeđih ili žutih mrlja pustinja. Ali ocean uopće ne izgleda zeleno, osim nekih uskih obalnih zona. Zašto je to?

Stvar je u tome što je na našem planetu ocean 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 dijelova na milijun, sva bi stabla umrla (a to bi se moglo dogoditi za milijardu godina). S manje od 10 dijelova CO₂ na milijun bi sve biljke umrijele općenito, a s njima i svi stvarno složeni oblici života.

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

Zapravo, ništa nije dalje od istine. Voda u Zemljinim oceanima iznosi 1,35 kvintilijuna (milijuna milijardi) tona, a atmosfera nešto više od pet kvadrilijuna (milijuna milijardi) tona. Odnosno, u toni vode ima osjetno manje CO.₂nego tona zraka. Vodene biljke u Zemljinim oceanima gotovo uvijek imaju mnogo manje CO₂ kojima raspolažu od zemaljskih.

Da stvar bude gora, vodene biljke imaju dobar metabolizam samo u toploj vodi. Naime, u njemu je CO₂ ponajmanje, jer se njegova topljivost u vodi smanjuje s porastom temperature. Stoga alge - u usporedbi s kopnenim biljkama - postoje u uvjetima konstantnog kolosalnog manjka CO.₂.

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

Sve to može dovesti do mišljenja da, iako je život na planetima-oceanima moguć, on će biti vrlo, vrlo neugledan. Biomasa Zemlje, da je prekrivena jednim oceanom, pod svim ostalim jednakim uvjetima, bila bi, u smislu suhog ugljika, samo 10 milijardi tona - pedeset puta manje nego sada.

Međutim, i ovdje je prerano stati na kraj vodenim svjetovima. Činjenica je da već pri pritisku od dvije atmosfere količina CO₂, koji se može otopiti u morskoj vodi, više se nego udvostručuje (za temperaturu od 25 stupnjeva). S atmosferama četiri do pet puta gušćim od Zemljine - a to je upravo ono što biste očekivali na planetima poput TRAPPIST-1e, g i f - u vodi može biti toliko ugljičnog dioksida da će se voda lokalnih oceana početi približavati zemaljski zrak. Drugim riječima, vodene biljke na planetima i oceanima nalaze se u puno boljim uvjetima nego na našem planetu. A tamo gdje ima više zelene biomase, i životinje imaju bolju bazu hrane. To jest, za razliku od Zemlje, mora planeta-oceana možda nisu pustinje, već oaze života.

Sargasovi planeti

Ali što učiniti ako oceanski planet, zbog nesporazuma, još uvijek ima gustoću Zemljine atmosfere? A ovdje nije sve tako loše. Na Zemlji se alge nastoje pričvrstiti za dno, ali tamo gdje za to nema uvjeta, ispada da vodene biljke mogu plivati.

Neke od algi sargassum koriste vrećice ispunjene zrakom (sliče grožđu, otuda i portugalska riječ "sargasso" u nazivu Sargaškog mora) za pružanje uzgona, a u teoriji to vam omogućuje da uzimate CO₂ iz zraka, a ne iz vode, gdje je malo. Zbog svoje plovnosti lakše obavljaju fotosintezu. Istina, takve se alge dobro razmnožavaju samo pri 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 oceanski planet dovoljno topao, tada čak ni gustoća 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. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Zanimljivo je da plutajuće alge u istom Sargaškom moru stvaraju cijeli plutajući ekosustav, nešto poput "plutajuće zemlje". Tamo žive rakovi, kojima je uzgon algi dovoljan da se po njihovoj površini kreću kao da je kopno. Teoretski, u mirnim područjima oceanskog planeta, plutajuće skupine 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 planetima kandidatima izdvojimo najvjerojatnije nositelje života. Sam po sebi, koncept "naseljive zone" ovdje nije najbolji asistent. U njemu se prikladnima za život smatraju oni planeti koji od svoje zvijezde primaju dovoljnu količinu energije da barem na dijelu svoje površine podrže rezervoare tekućine. U Sunčevom sustavu 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, s bitno drugačijom atmosferom i hidrosferom. Linearni prikaz u stilu "planet-ocean je Zemlja, ali samo prekriven vodom" može nas dovesti u istu zabludu koja je postojala početkom 20. stoljeća o prikladnosti Marsa za život. Pravi oceanidi mogu se oštro razlikovati od našeg planeta - 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 omogućuje nam da unaprijed shvatimo što će za njih biti nastanjiva zona 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 sve donedavno naše ideje o tome koji su svjetovi stvarno naseljeni, a koji nisu, previše patili od antropocentrizma i geocentrizma. I, kako se sada ispostavilo, iz "sushcentrizma" - mišljenja da ako smo mi sami nastali na kopnu, onda je to najvažnije mjesto u razvoju života, i to ne samo na našem planetu, već i na drugim suncu. Možda promatranja u narednim godinama neće ostaviti kamen na kamenu s ove točke gledišta.