Die moontlikheid van lewe op waterplanete

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Die meeste van die planete waarvan ons weet is groter in massa as die Aarde, maar minder as Saturnus. Dikwels is daar "mini-neptunes" en "super-aarde" - voorwerpe wat 'n paar keer groter is as ons planeet. Die ontdekkings van onlangse jare gee al hoe meer gronde om te glo dat super-aarde planete is waarvan die samestelling baie verskil van ons s'n. Boonop het dit geblyk dat die aardse planete in ander stelsels waarskynlik van die Aarde sal verskil in baie ryker ligte elemente en verbindings, insluitend water. En dit is 'n goeie rede om te wonder hoe fiks hulle is vir die lewe.

Die bogenoemde verskille tussen eks-aarde en Aarde word verklaar deur die feit dat driekwart van alle sterre in die Heelal rooi dwerge is, ligte wat baie minder massief is as die Son. Waarnemings toon dat die planete om hulle dikwels in die bewoonbare sone is – dit wil sê waar hulle omtrent dieselfde energie van hul ster ontvang as die Aarde van die Son. Boonop is daar dikwels uiters baie planete in die bewoonbare sone van rooidwerge: in die "Goldilocks-gordel" van die TRAPPIST-1-ster is daar byvoorbeeld drie planete gelyktydig.

En dit is baie vreemd. Die bewoonbare sone van rooi dwerge lê in miljoene kilometers van die ster af, en nie 150-225 miljoen, soos in die sonnestelsel nie. Intussen kan verskeie planete gelyktydig nie in miljoene kilometers van hul ster af vorm nie – die grootte van sy protoplanetêre skyf sal dit nie toelaat nie. Ja, 'n rooi dwerg het dit minder as 'n geel een, soos ons Son, maar nie 'n honderd of selfs vyftig keer nie.

Die situasie word verder gekompliseer deur die feit dat sterrekundiges geleer het om planete in verre sterre min of meer akkuraat te “weeg”. En toe blyk dit dat as ons hul massa en grootte in verband bring, dit blyk dat die digtheid van sulke planete twee of selfs drie keer minder is as die Aarde s'n. En dit is in beginsel onmoontlik as hierdie planete in miljoene kilometers van hul ster af gevorm is. Want met so 'n noue rangskikking behoort die bestraling van die lig die grootste deel van die ligelemente letterlik na buite te stoot.

Dit is presies wat byvoorbeeld in die sonnestelsel gebeur het. Kom ons kyk na die Aarde: dit is in die bewoonbare sone gevorm, maar water in sy massa is nie meer as een duisendste nie. As die digtheid van 'n aantal wêrelde by rooidwerge twee tot drie keer laer is, dan is die water daar nie minder nie as 10 persent, of selfs meer. Dit wil sê honderd keer meer as op aarde. Gevolglik het hulle buite die bewoonbare sone gevorm en eers daarna daarheen migreer. Dit is maklik vir sterbestraling om ligelemente van die sones van die protoplanetêre skyf naby die lig te ontneem. Maar dit is baie moeiliker om 'n klaargemaakte planeet wat van die verafgeleë deel van die protoplanetêre skyf gemigreer het van ligte elemente te ontneem - die onderste lae daar word deur die boonste beskerm. En waterverlies is onvermydelik taamlik stadig.’n Tipiese superaarde in die bewoonbare sone sal nie eers die helfte van sy water kan verloor nie, en gedurende die hele bestaan van byvoorbeeld die sonnestelsel.

Dus, die mees massiewe sterre in die heelal het dikwels planete waarin daar baie water is. Dit beteken heel waarskynlik dat daar baie meer sulke planete is as soos die Aarde. Daarom sal dit goed wees om uit te vind of daar op sulke plekke 'n moontlikheid is van die ontstaan en ontwikkeling van komplekse lewe.

Benodig meer minerale

En dit is waar die groot probleme begin. Daar is geen noue analoë van superaarde met 'n groot hoeveelheid water in die sonnestelsel nie, en in die afwesigheid van voorbeelde beskikbaar vir waarneming, het planetêre wetenskaplikes letterlik niks om van te begin nie. Ons moet na die fasediagram van die water kyk en uitvind watter parameters vir verskillende lae van die oseaniese planete sal wees.

Fasediagram van die toestand van water. Yswysigings word deur Romeinse syfers aangedui. Byna alle ys op aarde behoort aan groep I_h, en 'n baie klein fraksie (in die boonste atmosfeer) - na I_c… Beeld: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Dit blyk dat as daar 540 keer meer water op 'n planeet so groot soos die Aarde is as hier, dit heeltemal bedek sal wees deur 'n oseaan van meer as honderd kilometer diep. Op die bodem van sulke oseane sal die druk so groot wees dat ys van so 'n fase daar sal begin vorm, wat selfs by baie hoë temperature solied bly, aangesien die water deur die enorme druk vas gehou word.

As die bodem van die planetêre oseaan met 'n dik laag ys bedek is, sal vloeibare water van kontak met soliede silikaatgesteentes ontneem word. Sonder sulke kontak sal die minerale daarin in werklikheid nêrens hê om vandaan te kom nie. Erger nog, die koolstofsiklus sal ontwrig word.

Kom ons begin met minerale. Sonder fosfor kan lewe - in die vorme wat aan ons bekend is - nie wees nie, want daarsonder is daar geen nukleotiede nie en dus ook geen DNS nie. Dit sal moeilik wees sonder kalsium – ons bene is byvoorbeeld saamgestel uit hidroksielapatiet, wat nie sonder fosfor en kalsium kan klaarkom nie. Probleme met die beskikbaarheid van sekere elemente ontstaan soms op Aarde. Byvoorbeeld, in Australië en Noord-Amerika in 'n aantal plekke was daar 'n abnormaal lang afwesigheid van vulkaniese aktiwiteit en in grond op sommige plekke is daar 'n ernstige tekort aan selenium (dit is deel van een van die aminosure wat nodig is vir lewe). Hieruit het koeie, skape en bokke 'n tekort aan selenium, en soms lei dit tot die dood van vee (die byvoeging van seleniet by veevoer in die Verenigde State en Kanada word selfs deur wetgewing gereguleer).

Sommige navorsers stel voor dat die blote faktor van die beskikbaarheid van minerale die oseane-planete werklike biologiese woestyne moet maak, waar lewe, indien daar is, uiters skaars is. En ons praat eenvoudig nie van werklik komplekse vorms nie.

Gebreekte lugversorger

Benewens mineraaltekorte, het teoretici 'n tweede potensiële probleem van planete-oseane ontdek - miskien selfs belangriker as die eerste. Ons praat van wanfunksies in die koolstofsiklus. Op ons planeet is hy die hoofrede vir die bestaan van 'n relatief stabiele klimaat. Die beginsel van die koolstofsiklus is eenvoudig: wanneer die planeet te koud word, vertraag die absorpsie van koolstofdioksied deur die rotse skerp (die proses van sulke absorpsie verloop vinnig net in 'n warm omgewing). Terselfdertyd gaan "voorrade" van koolstofdioksied met vulkaniese uitbarstings in dieselfde tempo. Wanneer die gasbinding afneem en die toevoer nie afneem nie, styg die CO₂-konsentrasie natuurlik. Die planete, soos u weet, is in die vakuum van interplanetêre ruimte, en die enigste beduidende manier van hitteverlies vir hulle is die uitstraling daarvan in die vorm van infrarooi golwe. Koolstofdioksied absorbeer sulke straling vanaf die planeet se oppervlak, en daarom word die atmosfeer effens opgewarm. Dit verdamp waterdamp vanaf die wateroppervlak van die oseane, wat ook infrarooi straling (nog 'n kweekhuisgas) absorbeer. Gevolglik is dit CO₂ wat as die hoofinisieerder optree in die proses om die planeet te verhit.

Dit is hierdie meganisme wat daartoe lei dat gletsers op aarde vroeër of later eindig. Hy laat dit ook nie oorverhit nie: by buitensporige hoë temperature word koolstofdioksied vinniger deur gesteentes gebind, waarna dit, as gevolg van die tektoniek van die aardkorsplate, geleidelik in die mantel wegsak. CO vlak₂val en die klimaat word koeler.

Die belangrikheid van hierdie meganisme vir ons planeet kan kwalik oorskat word. Stel jou vir 'n sekonde 'n ineenstorting van 'n koolstoflugversorger voor: sê, vulkane het opgehou uitbars en lewer nie meer koolstofdioksied uit die ingewande van die Aarde nie, wat eens met ou kontinentale plate daarheen neergedaal het. Die heel eerste gletsering sal letterlik ewig word, want hoe meer ys op die planeet, hoe meer sonstraling reflekteer dit in die ruimte. En 'n nuwe gedeelte van CO₂ sal nie die planeet kan ontvries nie: dit sal nêrens hê om vandaan te kom nie.

Dit is presies hoe dit in teorie behoort te wees op die planete-oseane. Selfs al kan vulkaniese aktiwiteit soms deur die dop van eksotiese ys op die bodem van die planetêre oseaan breek, is daar min goed daaraan. Inderdaad, op die oppervlak van die seewêreld is daar eenvoudig geen rotse wat oortollige koolstofdioksied kan bind nie. Dit wil sê, sy onbeheerde opeenhoping kan begin en dienooreenkomstig oorverhitting van die planeet.

Iets soortgelyks – waar, sonder enige planetêre oseaan – het op Venus gebeur. Daar is ook geen plaattektoniek op hierdie planeet nie, hoewel hoekom dit gebeur het nie regtig bekend is nie. Daarom plaas vulkaniese uitbarstings daar, wat soms deur die kors deurbreek, baie koolstofdioksied in die atmosfeer, maar die oppervlak kan dit nie bind nie: kontinentale plate sak nie af nie en nuwes styg nie op nie. Daarom het die oppervlak van die bestaande blaaie reeds al die CO gebind₂, wat meer kon en nie kan absorbeer nie, en dit is so warm op Venus dat lood altyd 'n vloeistof daar sal bly. En dit ten spyte van die feit dat, volgens modellering, met die Aarde se atmosfeer en koolstofsiklus, hierdie planeet 'n bewoonbare tweeling van die Aarde sou wees.

Is daar lewe sonder lugversorging?

Kritici van "aardse chauvinisme" (die standpunt dat lewe slegs moontlik is op "kopieë van die Aarde", planete met streng aardse toestande) het dadelik die vraag gevra: hoekom het almal eintlik besluit dat minerale nie deur 'n laag eksotiese ys? Hoe sterker en ondeurdringbaarder die deksel oor iets warm is, hoe meer energie versamel daaronder, wat geneig is om uit te breek. Hier is dieselfde Venus - plaattektoniek blyk nie te bestaan nie, en koolstofdioksied het in sulke hoeveelhede uit die dieptes ontsnap dat daar geen lewe daaruit in die letterlike sin van die woord is nie. Gevolglik is dieselfde moontlik met die verwydering van minerale opwaarts - soliede gesteentes tydens vulkaniese uitbarstings val heeltemal opwaarts.

Desondanks bly daar nog 'n probleem - die "stukkende lugversorger" van die koolstofsiklus. Kan 'n oseaanplaneet daarsonder bewoonbaar wees?

Daar is baie liggame in die sonnestelsel waarop koolstofdioksied glad nie die rol van die hoofreguleerder van die klimaat speel nie. Hier is byvoorbeeld Titan, 'n groot maan van Saturnus.

Titaan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universiteit van Nantes, Virginia Pasek, Universiteit van Arizona

Die liggaam is weglaatbaar in vergelyking met die aarde se massa. Dit is egter ver van die Son gevorm, en die bestraling van die lig het nie die ligte elemente, insluitend stikstof, daaruit "verdamp" nie. Dit gee Titan 'n atmosfeer van byna suiwer stikstof, dieselfde gas wat ons planeet oorheers. Maar die digtheid van sy stikstofatmosfeer is vier keer dié van ons s’n – met swaartekrag is dit sewe keer swakker.

Met die eerste oogopslag na Titan se klimaat is daar 'n bestendige gevoel dat dit uiters stabiel is, hoewel daar geen "koolstof"-lugversorger in sy direkte vorm is nie. Dit is genoeg om te sê dat die temperatuurverskil tussen die pool en die ewenaar van Titan slegs drie grade is. As die situasie dieselfde op Aarde was, sou die planeet baie meer eweredig bevolk wees en oor die algemeen meer geskik vir lewe.

Boonop het berekeninge deur 'n aantal wetenskaplike groepe getoon: met 'n atmosfeerdigtheid vyf keer hoër as dié van die Aarde, dit wil sê 'n kwart hoër as op Titan, is selfs die kweekhuiseffek van stikstof alleen genoeg vir temperatuurskommelings om te daal tot byna nul. Op so 'n planeet, dag en nag, beide by die ewenaar en by die pool, sou die temperatuur altyd dieselfde wees. Die aardse lewe kan net van so iets droom.

Planete-oseane in terme van hul digtheid is net op die vlak van Titan (1, 88 g / cm ³), en nie die Aarde (5, 51 g / cm ³). Kom ons sê drie planete in die TRAPPIST-1 bewoonbare sone 40 ligjare van ons af het 'n digtheid van 1,71 tot 2,18 g / cm³. Met ander woorde, heel waarskynlik, sulke planete het meer as voldoende digtheid van stikstofatmosfeer om 'n stabiele klimaat te hê as gevolg van stikstof alleen. Koolstofdioksied kan hulle nie in rooiwarm Venus verander nie, want 'n baie groot massa water kan baie koolstofdioksied bind selfs sonder enige plaattektoniek (koolstofdioksied word deur water geabsorbeer, en hoe hoër die druk, hoe meer kan dit dit bevat).

Diepsee woestyne

Met hipotetiese buiteaardse bakterieë en archaea blyk alles eenvoudig te wees: hulle kan in baie moeilike omstandighede leef en hiervoor het hulle glad nie 'n oorvloed van baie chemiese elemente nodig nie. Dit is moeiliker met plante en 'n hoogs georganiseerde lewe wat op hul koste leef.

So, oseaanplanete kan 'n stabiele klimaat hê - heel waarskynlik meer stabiel as wat die Aarde het. Dit is ook moontlik dat daar 'n merkbare hoeveelheid minerale in water opgelos is. En tog is die lewe daar glad nie Shrovetide nie.

Kom ons kyk na die aarde. Behalwe vir die laaste miljoene jare, is sy land uiters groen, amper sonder bruin of geel kolle van woestyne. Maar die see lyk glad nie groen nie, behalwe vir sommige nou kusgebiede. Hoekom is dit?

Die ding is dat die oseaan op ons planeet 'n biologiese woestyn is. Lewe benodig koolstofdioksied: dit "bou" plantbiomassa en slegs daaruit kan dierebiomassa gevoer word. As daar CO in die lug rondom ons is₂ meer as 400 dpm soos dit nou is, blom die plantegroei. As dit minder as 150 dele per miljoen was, sou alle bome doodgaan (en dit kan oor 'n miljard jaar gebeur). Met minder as 10 dele CO₂ per miljoen sou alle plante in die algemeen doodgaan, en saam met hulle almal werklik komplekse vorme van lewe.

Met die eerste oogopslag behoort dit te beteken dat die see 'n ware uitspansel vir die lewe is. Inderdaad, die aarde se oseane bevat honderd keer meer koolstofdioksied as die atmosfeer. Daarom moet daar baie boumateriaal vir plante wees.

Eintlik is niks verder van die waarheid af nie. Die water in die Aarde se oseane is 1,35 kwintiljoen (miljard biljoen) ton, en die atmosfeer is net meer as vyf kwadrilljoen (miljoen biljoen) ton. Dit wil sê, daar is merkbaar minder CO in 'n ton water.₂as 'n ton lug. Waterplante in die Aarde se oseane het byna altyd baie minder CO₂ tot hul beskikking as terrestriële.

Om sake te vererger, het waterplante net 'n goeie metaboliese tempo in warm water. Naamlik daarin, CO₂ allermins omdat die oplosbaarheid daarvan in water afneem met toenemende temperature. Daarom bestaan alge - in vergelyking met landplante - onder toestande van konstante kolossale CO-tekort.₂.

Daarom wys wetenskaplikes se pogings om die biomassa van landorganismes te bereken dat die see, wat twee derdes van die planeet beslaan,’n onbeduidende bydrae tot die totale biomassa lewer. As ons die totale massa koolstof neem - die sleutelmateriaal in die droë massa van enige lewende wese - die inwoners van die land, dan is dit gelyk aan 544 miljard ton. En in die liggame van die inwoners van die see en oseane - slegs ses miljard ton, krummels van die meester se tafel, 'n bietjie meer as 'n persent.

Dit alles kan lei tot die mening dat alhoewel lewe op die planete-oseane moontlik is, dit baie, baie onooglik sal wees. Die biomassa van die Aarde, as dit deur een oseaan bedek was, sou alles gelyk wees, in terme van droë koolstof, slegs 10 miljard ton – vyftig keer minder as wat dit nou is.

Selfs hier is dit egter te vroeg om 'n einde aan die waterwêrelde te maak. Die feit is dat reeds by 'n druk van twee atmosfeer, die hoeveelheid CO₂, wat in seewater kan oplos, meer as verdubbel (vir 'n temperatuur van 25 grade). Met atmosfeer wat vier tot vyf keer digter is as die aarde s'n – en dit is presies wat jy op planete soos TRAPPIST-1e, g en f sou verwag – kan daar soveel koolstofdioksied in die water wees dat die water van die plaaslike oseane sal begin naderkom. die aarde se lug. Met ander woorde, waterplante op planete en oseane bevind hulle in baie beter toestande as op ons planeet. En waar daar meer groen biomassa is, en diere 'n beter voedselbasis het. Dit wil sê, anders as die Aarde, mag die seë van planete-oseane nie woestyne wees nie, maar oases van lewe.

Sargasso planete

Maar wat om te doen as die oseaanplaneet, weens 'n misverstand, steeds die aarde se atmosfeerdigtheid het? En alles is nie so sleg hier nie. Op Aarde is alge geneig om aan die bodem te heg, maar waar daar geen voorwaardes hiervoor is nie, blyk dit dat waterplante kan swem.

Sommige van die sargassum alge gebruik luggevulde sakkies (hulle lyk soos druiwe, vandaar die Portugese woord "sargasso" in die naam van die Sargasso See) om dryfkrag te verskaf, en in teorie laat dit jou toe om CO te neem₂ uit lug, en nie uit water nie, waar dit skaars is. As gevolg van hul dryfvermoë is dit vir hulle makliker om fotosintese te doen. Sulke alge reproduseer weliswaar net goed by redelik hoë watertemperature, en daarom is hulle op aarde relatief goed net op sommige plekke, soos die Sargassosee, waar die water baie warm is. As die oseaanplaneet warm genoeg is, dan is selfs die aarde se atmosferiese digtheid nie 'n onoorkomelike struikelblok vir mariene plante nie. Hulle kan dalk CO neem₂ uit die atmosfeer, en vermy die probleme van lae koolstofdioksied in warm water.

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

Interessant genoeg gee drywende alge in dieselfde Sargassosee aanleiding tot 'n hele drywende ekosisteem, iets soos 'n "drywende land". Krappe woon daar, waarvoor die dryfkrag van alge genoeg is om op hul oppervlak te beweeg asof dit land is. Teoreties kan drywende groepe seeplante in kalm gebiede van die oseaanplaneet nogal "landlewe" ontwikkel, alhoewel jy nie land self daar sal vind nie.

Kontroleer jou voorreg, aardling

Die probleem om die mees belowende plekke vir die soeke na lewe te identifiseer, is dat ons tot dusver min data het wat ons in staat sal stel om die mees waarskynlike draers van lewe onder die kandidaatplanete uit te sonder. Op sigself is die konsep van "bewoonbare sone" nie die beste assistent hier nie. Daarin word daardie planete as geskik vir lewe beskou wat 'n voldoende hoeveelheid energie van hul ster ontvang om vloeibare reservoirs ten minste op 'n deel van hul oppervlak te ondersteun. In die sonnestelsel is beide Mars en die Aarde in die bewoonbare sone, maar by die eerste komplekse lewe op die oppervlak is op een of ander manier onmerkbaar.

Hoofsaaklik omdat dit nie dieselfde wêreld as die Aarde is nie, met 'n fundamenteel verskillende atmosfeer en hidrosfeer. Lineêre voorstelling in die styl van "die planeet-oseaan is die Aarde, maar slegs bedek met water" kan ons in dieselfde dwaling lei wat aan die begin van die 20ste eeu bestaan het oor die geskiktheid van Mars vir lewe. Werklike oseaniede kan skerp van ons planeet verskil - hulle het 'n heeltemal ander atmosfeer, verskillende klimaatstabiliseringsmeganismes en selfs verskillende meganismes om mariene plante van koolstofdioksied te voorsien.

’n Gedetailleerde begrip van hoe die waterwêrelde werklik werk, stel ons in staat om vooraf te verstaan wat die bewoonbare sone vir hulle sal wees, en daardeur vinnig gedetailleerde waarnemings van sulke planete in James Webb en ander belowende groot teleskope te benader.

Samevattend kan 'n mens nie anders as om te erken dat ons idees tot baie onlangs oor watter wêrelde werklik bewoon word en watter nie, te veel onder antroposentrisme en geosentrisme gely het. En, soos dit nou blyk, van "sushcentrism" - die mening dat as ons self op land ontstaan het, dan is dit die belangrikste plek in die ontwikkeling van lewe, en nie net op ons planeet nie, maar ook in ander sonne. Miskien sal die waarnemings van die komende jare nie 'n steen onaangeroer laat vanuit hierdie oogpunt nie.