Elämän mahdollisuus vesiplaneetoilla

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Useimmat tuntemamme planeetat ovat massaltaan suurempia kuin Maa, mutta pienempiä kuin Saturnus. Useimmiten niiden joukossa on "mini-neptunuksia" ja "supermaita" - esineitä, jotka ovat pari kertaa planeettamme massiivisempia. Viime vuosien löydöt antavat yhä enemmän aihetta uskoa, että supermaapallot ovat planeettoja, joiden koostumus on hyvin erilainen kuin meidän. Lisäksi kävi ilmi, että muiden järjestelmien maanpäälliset planeetat eroavat todennäköisesti maapallosta paljon rikkaampien valoalkuaineiden ja yhdisteiden, mukaan lukien veden, suhteen. Ja se on hyvä syy ihmetellä, kuinka sopivat he ovat elämään.

Edellä mainitut erot entisen maan ja Maan välillä selittyvät sillä, että kolme neljäsosaa kaikista maailmankaikkeuden tähdistä on punaisia kääpiöitä, valoja, jotka ovat paljon vähemmän massiivisia kuin aurinko. Havainnot osoittavat, että niitä ympäröivät planeetat ovat usein asumiskelpoisella vyöhykkeellä - eli siellä, missä ne saavat suunnilleen saman energian tähdestään kuin Maa Auringosta. Lisäksi punaisten kääpiöiden asuttavalla vyöhykkeellä on usein erittäin paljon planeettoja: esimerkiksi TRAPPIST-1-tähden "kultakutrivyöhykkeessä" on kolme planeettaa kerralla.

Ja tämä on hyvin outoa. Punaisten kääpiöiden asuttava vyöhyke sijaitsee miljoonien kilometrien päässä tähdestä, eikä 150-225 miljoonalla, kuten aurinkokunnassa. Samaan aikaan useat planeetat eivät voi muodostua miljoonien kilometrien päähän tähdestään kerralla - sen protoplanetaarisen levyn koko ei salli. Kyllä, punaisella kääpiöllä on sitä vähemmän kuin keltaisella, kuten Auringollamme, mutta ei sata tai edes viisikymmentä kertaa.

Tilannetta vaikeuttaa entisestään se tosiasia, että tähtitieteilijät ovat oppineet "punnitsemaan" enemmän tai vähemmän tarkasti kaukaisten tähtien planeetat. Ja sitten kävi ilmi, että jos vertaamme niiden massaa ja kokoa, käy ilmi, että tällaisten planeettojen tiheys on kaksi tai jopa kolme kertaa pienempi kuin Maan. Ja tämä on periaatteessa mahdotonta, jos nämä planeetat muodostuisivat miljoonien kilometrien päässä tähdestään. Koska näin tiiviissä järjestelyssä valaisimen säteilyn pitäisi kirjaimellisesti työntää suurin osa valoelementeistä ulospäin.

Juuri näin tapahtui esimerkiksi aurinkokunnassa. Katsotaanpa Maata: se muodostui asuttavalle vyöhykkeelle, mutta sen massa on enintään tuhannesosa. Jos useiden punaisten kääpiöiden maailmojen tiheys on kahdesta kolmeen kertaan pienempi, siellä oleva vesi on vähintään 10 prosenttia tai jopa enemmän. Eli sata kertaa enemmän kuin maan päällä. Näin ollen ne muodostuivat asumisvyöhykkeen ulkopuolelle ja vasta sitten muuttivat sinne. Tähtien säteily on helppo riistää valoelementit protoplanetaarisen kiekon vyöhykkeistä valon lähellä. Mutta on paljon vaikeampaa riistää valoelementit valmiilta planeetalta, joka on siirtynyt protoplanetaarisen kiekon kaukaisesta osasta - siellä olevat alemmat kerrokset ovat ylempien suojaamia. Ja veden menetys on väistämättä melko hidasta. Tyypillinen asuttavalla vyöhykkeellä oleva supermaa ei voi menettää puoltakaan vedestään ja esimerkiksi aurinkokunnan koko olemassaolon aikana.

Joten maailmankaikkeuden massiivisimmilla tähdillä on usein planeettoja, joissa on paljon vettä. Tämä tarkoittaa mitä todennäköisimmin, että tällaisia planeettoja on paljon enemmän kuin maapallon kaltaisia. Siksi olisi hyvä selvittää, onko tällaisissa paikoissa mahdollista monimutkaisen elämän syntyä ja kehittymistä.

Tarvitsee lisää mineraaleja

Ja tästä suuret ongelmat alkavat. Aurinkokunnassa ei ole läheisiä analogeja supermaille, joissa on suuri vesimäärä, ja havainnointiesimerkkien puuttuessa planeettatieteilijöillä ei kirjaimellisesti ole mitään mistä aloittaa. Meidän on katsottava veden vaihekaaviota ja selvitettävä, mitkä parametrit ovat valtameriplaneettojen eri kerroksille.

Veden tilan vaihekaavio. Jäämuutokset on merkitty roomalaisilla numeroilla. Melkein kaikki jää maan päällä kuuluu ryhmään I_h, ja hyvin pieni osa (yläilmakehässä) - I_c… Kuva: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Osoittautuu, että jos Maan kokoisella planeetalla on 540 kertaa enemmän vettä kuin täällä, niin sen peittää kokonaan yli sadan kilometriä syvä valtameri. Tällaisten valtamerten pohjalla paine on niin suuri, että sinne alkaa muodostua sellaisen faasin jäätä, joka pysyy kiinteänä jopa erittäin korkeissa lämpötiloissa, koska valtava paine pitää veden kiinteänä.

Jos planeetan valtameren pohja on peitetty paksulla jääkerroksella, nestemäinen vesi ei pääse kosketuksiin kiinteiden silikaattikivien kanssa. Ilman tällaista kosketusta sen sisältämillä mineraaleilla ei itse asiassa ole mistä tulla. Mikä pahempaa, hiilen kierto häiriintyy.

Aloitetaan mineraaleista. Ilman fosforia elämää - meille tunnetuissa muodoissa - ei voi olla, koska ilman sitä ei ole nukleotideja eikä vastaavasti DNA:ta. Se on vaikeaa ilman kalsiumia - esimerkiksi luumme koostuvat hydroksyyliapatiitista, joka ei tule toimeen ilman fosforia ja kalsiumia. Tiettyjen alkuaineiden saatavuudessa ilmenee joskus ongelmia maan päällä. Esimerkiksi Australiassa ja Pohjois-Amerikassa useilla paikkakunnilla oli epätavallisen pitkä vulkaanisen toiminnan puute ja maaperässä paikoin seleenin puute (se on osa yhtä elämälle välttämätöntä aminohappoa). Tästä johtuen lehmillä, lampailla ja vuohilla on puutos seleeniä, ja joskus tämä johtaa karjan kuolemaan (seleniitin lisäämistä karjan rehuun Yhdysvalloissa ja Kanadassa säätelee jopa laki).

Jotkut tutkijat ehdottavat, että pelkkä mineraalien saatavuuden tekijän pitäisi tehdä valtameristä-planeetoista todellisia biologisia aavikoita, joissa elämä, jos sitä on, on erittäin harvinaista. Emmekä yksinkertaisesti puhu todella monimutkaisista muodoista.

Ilmastointilaite rikki

Mineraalipuutteiden lisäksi teoreetikot ovat löytäneet toisen mahdollisen planeettojen ja valtamerten ongelman - ehkä jopa tärkeämmän kuin ensimmäinen. Puhumme hiilen kiertohäiriöistä. Hän on planeetallamme suurin syy suhteellisen vakaan ilmaston olemassaoloon. Hiilen kierron periaate on yksinkertainen: kun planeetta tulee liian kylmäksi, hiilidioksidin imeytyminen kiviin hidastuu jyrkästi (tällaisen imeytymisen prosessi etenee nopeasti vain lämpimässä ympäristössä). Samaan aikaan hiilidioksidin "varannot" tulivuorenpurkausten yhteydessä kulkevat samaa tahtia. Kun kaasun sitoutuminen vähenee ja syöttö ei vähene, CO₂-pitoisuus luonnollisesti nousee. Planeetat, kuten tiedätte, ovat planeettojen välisen avaruuden tyhjiössä, ja ainoa merkittävä tapa lämpöhäviöön niille on sen säteily infrapuna-aaltojen muodossa. Hiilidioksidi absorboi tällaista säteilyä planeetan pinnalta, minkä vuoksi ilmakehä lämpenee hieman. Tämä haihduttaa valtamerten vedenpinnalta vesihöyryä, joka myös absorboi infrapunasäteilyä (toinen kasvihuonekaasu). Tämän seurauksena CO₂ toimii pääkäynnistäjänä planeetan lämmitysprosessissa.

Juuri tämä mekanismi johtaa siihen, että jäätiköt Maan päällä loppuvat ennemmin tai myöhemmin. Hän ei myöskään anna sen ylikuumentua: liian korkeissa lämpötiloissa kivet sitovat hiilidioksidia nopeammin, minkä jälkeen ne maankuoren tektoniikan takia vähitellen uppoavat vaippaan. CO-taso₂putoaa ja ilmasto viilenee.

Tämän mekanismin merkitystä planeetallemme voidaan tuskin yliarvioida. Kuvittele hetkeksi hiiliilmastointilaitteen hajoamista: sanotaan, että tulivuoret ovat lakanneet purkamasta eivätkä enää toimita hiilidioksidia maan suolistosta, joka kerran laskeutui sinne vanhojen mannerlaattojen kanssa. Aivan ensimmäisestä jäätikköstä tulee kirjaimellisesti ikuinen, koska mitä enemmän jäätä planeetalla on, sitä enemmän auringon säteilyä se heijastuu avaruuteen. Ja uusi osa CO₂ ei pysty purkamaan planeettaa: sillä ei ole mistä tulla.

Juuri näin sen teoriassa pitäisi olla planeetoilla-valtamerillä. Vaikka vulkaaninen toiminta voi toisinaan murtautua eksoottisen jään kuoren läpi planeetan valtameren pohjassa, siitä ei ole juurikaan hyvää. Itse asiassa merimaailman pinnalla ei yksinkertaisesti ole kiviä, jotka voisivat sitoa ylimääräistä hiilidioksidia. Eli sen hallitsematon kertyminen voi alkaa ja vastaavasti planeetan ylikuumeneminen.

Jotakin samanlaista - totta, ilman planeettojen valtamerta - tapahtui Venuksella. Tällä planeetalla ei myöskään ole levytektoniikkaa, vaikkakaan ei tiedetä, miksi näin tapahtui. Siksi siellä ajoittain maankuoren läpi murtautuvat tulivuorenpurkaukset tuovat ilmakehään paljon hiilidioksidia, mutta pinta ei voi sitoa sitä: mannerlaatat eivät uppoa alas eikä uusia nouse ylös. Siksi olemassa olevien laattojen pinta on jo sitonut kaiken CO:n₂, joka voisi, mutta ei voi imeä enemmän, ja Venuksella on niin kuuma, että lyijy pysyy siellä aina nesteenä. Ja tämä huolimatta siitä, että mallinnuksen mukaan tämä planeetta olisi Maan ilmakehän ja hiilen kiertokulkujen mukaan Maan asuttava kaksos.

Onko elämää ilman ilmastointia?

"Maanpäällisen sovinismin" (asento, jonka mukaan elämä on mahdollista vain "Maan kopioilla", planeetoilla, joilla on tiukasti maanpäälliset olosuhteet) kriitikot esittivät heti kysymyksen: miksi itse asiassa kaikki päättivät, että mineraalit eivät pystyisi murtautumaan maapallon läpi. kerros eksoottista jäätä? Mitä vahvempi ja läpäisemättömämpi kansi on kuuman päällä, sitä enemmän sen alle kerääntyy energiaa, jolla on taipumus purkaa. Tässä on sama Venus - levytektoniikkaa ei näytä olevan olemassa, ja hiilidioksidia karkasi syvyyksistä sellaisina määrinä, että siitä ei ole elämää sanan kirjaimellisessa merkityksessä. Näin ollen sama on mahdollista poistamalla mineraaleja ylöspäin - kiinteät kivet putoavat tulivuorenpurkausten aikana kokonaan ylöspäin.

Siitä huolimatta toinen ongelma jää - hiilikierron "rikkinäinen ilmastointilaite". Voiko valtameren planeetta olla asuttava ilman sitä?

Aurinkokunnassa on monia kappaleita, joissa hiilidioksidilla ei ole lainkaan pääasiallisen ilmaston säätelijän roolia. Tässä on esimerkiksi Titan, suuri Saturnuksen kuu.

Titaani. Kuva: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nantesin yliopisto, Virginia Pasek, Arizonan yliopisto

Keho on mitätön verrattuna Maan massaan. Se muodostui kuitenkin kaukana auringosta, eikä valaisimen säteily "haihtanut" siitä valoelementtejä, mukaan lukien typpeä. Tämä antaa Titanille lähes puhtaan typen ilmakehän, saman kaasun, joka hallitsee planeettamme. Mutta sen typpi-ilmakehän tiheys on neljä kertaa meidän - painovoimalla se on seitsemän kertaa heikompi.

Ensi silmäyksellä Titanin ilmastosta on vakaa tunne, että se on erittäin vakaa, vaikka "hiili"-ilmastointilaitetta ei olekaan sen suorassa muodossa. Riittää, kun sanotaan, että lämpötilaero Titanin navan ja päiväntasaajan välillä on vain kolme astetta. Jos tilanne olisi sama maapallolla, planeetta olisi paljon tasaisemmin asuttu ja yleisesti sopivampi elämään.

Lisäksi useiden tieteellisten ryhmien laskelmat ovat osoittaneet: kun ilmakehän tiheys on viisi kertaa suurempi kuin Maan, eli neljänneksen korkeampi kuin Titanilla, jopa typen kasvihuoneilmiö yksinään riittää lämpötilanvaihteluiden laskemiseen. lähes nollaan. Tällaisella planeetalla, päivällä ja yöllä, sekä päiväntasaajalla että navalla lämpötila olisi aina sama. Maallinen elämä voi vain haaveilla sellaisesta.

Planeetat-valtameret ovat tiheydeltään juuri Titanin tasolla (1,88 g / cm³), eivät Maan (5,51 g / cm³) tasolla. Oletetaan, että kolmen planeetan TRAPPIST-1 asumisvyöhykkeellä 40 valovuoden päässä meistä on tiheys 1,71-2,18 g / cm³. Toisin sanoen, todennäköisimmin sellaisilla planeetoilla on enemmän kuin riittävä typpi-ilmakehän tiheys, jotta niillä olisi vakaa ilmasto pelkästään typen vuoksi. Hiilidioksidi ei voi muuttaa niitä kuumaksi Venukseksi, koska todella suuri vesimassa voi sitoa paljon hiilidioksidia myös ilman levytektoniikkaa (hiilidioksidi imeytyy veteen ja mitä korkeampi paine, sitä enemmän se voi sisältää sitä).

Syvänmeren aavikot

Hypoteettisten maan ulkopuolisten bakteerien ja arkeoiden kanssa kaikki näyttää olevan yksinkertaista: ne voivat elää hyvin vaikeissa olosuhteissa, eivätkä ne tarvitse tätä varten ollenkaan monia kemiallisia alkuaineita. Vaikeampaa on kasveilla ja heidän kustannuksellaan elävällä hyvin järjestäytyneellä elämällä.

Joten valtameren planeetoilla voi olla vakaa ilmasto - hyvin todennäköisesti vakaampi kuin maapallolla. On myös mahdollista, että veteen on liuennut huomattava määrä mineraaleja. Ja silti, elämä siellä ei ole ollenkaan laskiaista.

Katsotaanpa maapalloa. Viimeisiä miljoonia vuosia lukuun ottamatta sen maa on erittäin vihreää, melkein vailla ruskeita tai keltaisia aavikon pilkkuja. Mutta valtameri ei näytä ollenkaan vihreältä, lukuun ottamatta joitain kapeita rannikkoalueita. Miksi niin?

Asia on, että planeetallamme valtameri on biologinen autiomaa. Elämä vaatii hiilidioksidia: se "rakentaa" kasvibiomassaa ja vain siitä voidaan ruokkia eläinten biomassaa. Jos ympärillämme on hiilidioksidia₂ yli 400 ppm kuten nyt, kasvillisuus kukkii. Jos se olisi alle 150 miljoonasosaa, kaikki puut kuolisivat (ja tämä voi tapahtua miljardissa vuodessa). Alle 10 osaa CO₂ miljoonaa kohden kaikki kasvit kuolisivat yleensä, ja niiden mukana kaikki todella monimutkaiset elämänmuodot.

Ensi silmäyksellä tämän pitäisi tarkoittaa, että meri on todellinen elämän avaruus. Maan valtameret sisältävät todellakin sata kertaa enemmän hiilidioksidia kuin ilmakehä. Siksi kasveille tulisi olla paljon rakennusmateriaalia.

Itse asiassa mikään ei ole kauempana totuudesta. Maan valtamerten vettä on 1,35 kvintiljoonaa (miljardia) tonnia ja ilmakehän määrä on hieman yli viisi kvadriljoonaa (miljoonaa miljardia) tonnia. Eli tonnissa vettä on huomattavasti vähemmän CO:ta.₂kuin tonni ilmaa. Maan valtamerten vesikasveilla on lähes aina paljon vähemmän hiilidioksidia₂ käytettävissään kuin maanpäälliset.

Vielä pahempaa on, että vesikasveilla on hyvä aineenvaihduntanopeus vain lämpimässä vedessä. Nimittäin siinä CO₂ vähiten siksi, että sen liukoisuus veteen heikkenee lämpötilan noustessa. Siksi levät - verrattuna maakasveihin - esiintyvät jatkuvan valtavan CO-vajeen olosuhteissa.₂.

Tästä syystä tutkijoiden yritykset laskea maaeliöiden biomassaa osoittavat, että merellä, joka kattaa kaksi kolmasosaa planeetan pinta-alasta, on merkityksetön osuus kokonaisbiomassasta. Jos otamme hiilen kokonaismassan - minkä tahansa elävän olennon kuivamassan avainmateriaalin - maan asukkaiden, se on 544 miljardia tonnia. Ja merien ja valtamerten asukkaiden ruumiissa - vain kuusi miljardia tonnia, murusia mestarin pöydältä, hieman yli prosentti.

Kaikki tämä voi johtaa siihen käsitykseen, että vaikka elämä planeetoilla-valtamerillä on mahdollista, se on hyvin, hyvin rumaa. Jos maapallon biomassa peittäisi yhden valtameren, kaikkien muiden tekijöiden ollessa sama, olisi kuivana hiilenä mitattuna vain 10 miljardia tonnia - viisikymmentä kertaa vähemmän kuin nyt.

Kuitenkin täälläkin on liian aikaista tehdä loppu vesimaailmasta. Tosiasia on, että jo kahden ilmakehän paineessa CO:n määrä₂, joka voi liueta meriveteen, yli kaksinkertaistuu (25 asteen lämpötilassa). Kun ilmakehä on 4–5 kertaa Maan ilmakehää tiheämpi - ja tämä on juuri sitä mitä voisi odottaa planeetoilla, kuten TRAPPIST-1e, g ja f - vedessä voi olla niin paljon hiilidioksidia, että paikallisten valtamerten vesi alkaa lähestyä. maan ilmaa. Toisin sanoen vesikasvit planeetoilla ja valtamerillä ovat paljon paremmissa olosuhteissa kuin planeetallamme. Ja missä on enemmän vihreää biomassaa ja eläimillä on parempi ravintopohja. Toisin kuin Maa, planeettojen meret-valtameret eivät välttämättä ole aavikoita, vaan elämän keitaita.

Sargasson planeetat

Mutta mitä tehdä, jos valtameriplaneetalla on väärinkäsityksen vuoksi edelleen Maan ilmakehän tiheys? Eikä täällä kaikki ole niin huonosti. Maapallolla levät pyrkivät kiinnittymään pohjaan, mutta missä siihen ei ole ehtoja, käy ilmi, että vesikasvit voivat uida.

Jotkut sargassumlevät käyttävät ilmatäytteisiä pusseja (ne muistuttavat rypäleitä, tästä johtuu portugalilainen sana "sargasso" Sargasso-meren nimessä) kelluvuuden aikaansaamiseksi, ja teoriassa tämä mahdollistaa hiilidioksidin oton.₂ ilmasta, ei vedestä, missä sitä on vähän. Kelluvuuden vuoksi niiden on helpompi tehdä fotosynteesi. Totta, tällaiset levät lisääntyvät hyvin vain melko korkeissa veden lämpötiloissa, ja siksi maapallolla ne ovat suhteellisen hyviä vain joissakin paikoissa, kuten Sargassomerellä, jossa vesi on erittäin lämmintä. Jos valtameren planeetta on tarpeeksi lämmin, ei edes maan ilmakehän tiheys ole ylitsepääsemätön este merikasveille. He voivat hyvinkin ottaa CO₂ ilmakehästä välttäen ongelmat, jotka liittyvät alhaiseen hiilidioksidipitoisuuteen lämpimässä vedessä.

Sargasso-levä. Kuva: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Mielenkiintoista on, että kelluvat levät samassa Sargasso-meressä synnyttävät kokonaisen kelluvan ekosysteemin, jotain "kelluvaa maata". Siellä asuu rapuja, joille levien kelluvuus riittää liikkumaan pinnallaan kuin maalla. Teoriassa valtameriplaneetan rauhallisilla alueilla kelluvat merikasviryhmät voivat kehittää melkoista "maaelämää", vaikka itse maata ei sieltä löydy.

Tarkista etuoikeutesi, maanilainen

Lupaavimpien elämänhakupaikkojen tunnistamisen ongelmana on, että meillä on toistaiseksi vähän tietoa, jonka perusteella voisimme erottaa todennäköisimpiä elämän kantajia ehdokasplaneettojen joukosta. "Asuttava vyöhyke" ei sinänsä ole paras apulainen tässä. Siinä katsotaan elämälle sopiviksi planeettoja, jotka saavat tähdestään riittävän määrän energiaa ylläpitämään nestevarastoja ainakin osassa pintaansa. Aurinkokunnassa sekä Mars että Maa ovat asuttavalla vyöhykkeellä, mutta aluksi monimutkainen elämä pinnalla on jotenkin huomaamaton.

Lähinnä siksi, että tämä ei ole sama maailma kuin Maa, ja sen ilmapiiri ja hydrosfääri ovat pohjimmiltaan erilaisia. Lineaarinen esitys tyyliin "planeetta-valtameri on maa, mutta vain veden peitossa" voi johtaa meidät samaan harhaan, joka 1900-luvun alussa vallitsi Marsin soveltuvuudesta elämään. Todelliset valtameret voivat erota jyrkästi planeettamme - niillä on täysin erilainen ilmapiiri, erilaiset ilmaston vakautusmekanismit ja jopa erilaiset mekanismit meren kasvien toimittamiseen hiilidioksidilla.

Yksityiskohtainen ymmärrys siitä, miten vesimaailmat todella toimivat, antaa meille mahdollisuuden ymmärtää etukäteen, mikä niiden asuttava vyöhyke on, ja siten nopeasti lähestyä tällaisten planeettojen yksityiskohtaisia havaintoja James Webbissä ja muissa lupaavissa suurissa teleskoopeissa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että aivan viime aikoihin asti käsityksemme siitä, mitkä maailmat ovat todella asuttuja ja mitkä eivät, kärsivät liikaa antroposentrisyydestä ja geosentrismistä. Ja kuten nyt käy ilmi, "sushcentrismista" - näkemyksestä, että jos itse nousimme maalle, niin se on tärkein paikka elämän kehityksessä, eikä vain planeetallamme, vaan myös muissa auringoissa. Ehkä tulevien vuosien havainnot eivät jätä kiveä kääntämättä tästä näkökulmasta.