Kemungkinan hidup di planet akuatik

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Kebanyakan planet yang kita ketahui berjisim lebih besar daripada Bumi, tetapi kurang daripada Zuhal. Selalunya, di antara mereka terdapat "mini-neptunes" dan "super-earths" - objek beberapa kali lebih besar daripada planet kita. Penemuan beberapa tahun kebelakangan ini memberikan lebih banyak alasan untuk mempercayai bahawa Bumi super adalah planet yang komposisinya sangat berbeza daripada kita. Selain itu, ternyata planet terestrial dalam sistem lain mungkin berbeza daripada Bumi dalam unsur dan sebatian cahaya yang lebih kaya, termasuk air. Dan itulah sebab yang baik untuk tertanya-tanya sejauh mana mereka sesuai untuk hidup.

Perbezaan yang disebutkan di atas antara bekas bumi dan Bumi dijelaskan oleh fakta bahawa tiga perempat daripada semua bintang di Alam Semesta adalah kerdil merah, cahaya yang jauh lebih kecil daripada Matahari. Pemerhatian menunjukkan bahawa planet-planet di sekeliling mereka selalunya berada dalam zon yang boleh dihuni - iaitu, di mana mereka menerima tenaga yang kira-kira sama daripada bintang mereka dengan Bumi daripada Matahari. Lebih-lebih lagi, selalunya terdapat banyak planet di zon kerdil merah yang boleh dihuni: dalam "tali pinggang Goldilocks" bintang TRAPPIST-1, sebagai contoh, terdapat tiga planet sekaligus.

Dan ini sangat pelik. Zon boleh didiami kerdil merah terletak dalam jutaan kilometer dari bintang, dan bukan 150-225 juta, seperti dalam sistem suria. Sementara itu, beberapa planet sekaligus tidak boleh terbentuk dalam berjuta-juta kilometer dari bintangnya - saiz cakera protoplanetnya tidak akan dibenarkan. Ya, kerdil merah mempunyainya kurang daripada yang kuning, seperti Matahari kita, tetapi bukan seratus atau lima puluh kali ganda.

Keadaan ini menjadi lebih rumit oleh fakta bahawa ahli astronomi telah belajar untuk lebih kurang tepat "menimbang" planet dalam bintang yang jauh. Dan kemudian ternyata jika kita mengaitkan jisim dan saiznya, ternyata ketumpatan planet tersebut adalah dua atau bahkan tiga kali kurang daripada Bumi. Dan ini, pada dasarnya, mustahil jika planet-planet ini terbentuk dalam berjuta-juta kilometer dari bintang mereka. Kerana dengan susunan yang begitu rapat, sinaran cahaya akan benar-benar menolak sebahagian besar unsur cahaya ke luar.

Inilah yang berlaku dalam sistem suria, sebagai contoh. Mari kita lihat Bumi: ia terbentuk di zon boleh didiami, tetapi air dalam jisimnya tidak lebih daripada seperseribu. Jika ketumpatan beberapa dunia dalam kerdil merah adalah dua hingga tiga kali lebih rendah, maka air di sana tidak kurang daripada 10 peratus, atau lebih. Iaitu, seratus kali lebih banyak daripada di Bumi. Akibatnya, mereka terbentuk di luar zon boleh didiami dan kemudiannya berhijrah ke sana. Sinaran bintang adalah mudah untuk melucutkan unsur cahaya zon cakera protoplanet berhampiran dengan luminari. Tetapi adalah lebih sukar untuk menghilangkan planet siap yang telah berhijrah dari bahagian jauh cakera protoplanet unsur cahaya - lapisan bawah di sana dilindungi oleh lapisan atas. Dan kehilangan air tidak dapat dielakkan agak perlahan. Bumi super biasa dalam zon boleh didiami tidak akan dapat kehilangan walaupun separuh daripada airnya, dan semasa keseluruhan kewujudan, sebagai contoh, sistem suria.

Jadi, bintang paling besar di Alam Semesta selalunya mempunyai planet yang terdapat banyak air. Ini, kemungkinan besar, bermakna terdapat lebih banyak planet seperti itu daripada Bumi. Oleh itu, adalah baik untuk mengetahui sama ada di tempat-tempat sedemikian terdapat kemungkinan kemunculan dan perkembangan kehidupan yang kompleks.

Perlu lebih banyak mineral

Dan di sinilah masalah besar bermula. Tidak ada analog rapat super-bumi dengan sejumlah besar air dalam sistem suria, dan dengan ketiadaan contoh yang tersedia untuk pemerhatian, saintis planet benar-benar tidak mempunyai apa-apa untuk bermula. Kita perlu melihat gambarajah fasa air dan memikirkan apakah parameter untuk lapisan berbeza planet lautan.

Gambar rajah fasa keadaan air. Pengubahsuaian ais ditunjukkan dengan angka Rom. Hampir semua ais di Bumi tergolong dalam kumpulan I_h, dan pecahan yang sangat kecil (dalam atmosfera atas) - kepada I_c… Imej: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Ternyata jika terdapat 540 kali lebih banyak air di planet saiz Bumi daripada di sini, maka ia akan dilitupi sepenuhnya oleh lautan lebih daripada seratus kilometer. Di dasar lautan sedemikian, tekanan akan menjadi sangat besar sehingga ais daripada fasa sedemikian akan mula terbentuk di sana, yang kekal pepejal walaupun pada suhu yang sangat tinggi, kerana air dipegang pepejal oleh tekanan yang sangat besar.

Sekiranya dasar lautan planet dilitupi dengan lapisan ais yang tebal, air cecair akan terhalang daripada sentuhan dengan batu silikat pepejal. Tanpa sentuhan sedemikian, mineral di dalamnya, sebenarnya, tidak akan datang dari mana. Lebih teruk, kitaran karbon akan terganggu.

Mari kita mulakan dengan mineral. Tanpa fosforus, kehidupan - dalam bentuk yang kita ketahui - tidak boleh, kerana tanpa itu tidak ada nukleotida dan, dengan itu, tiada DNA. Ia akan menjadi sukar tanpa kalsium - sebagai contoh, tulang kita terdiri daripada hidroksilapatit, yang tidak boleh dilakukan tanpa fosforus dan kalsium. Masalah dengan ketersediaan unsur-unsur tertentu kadangkala timbul di Bumi. Sebagai contoh, di Australia dan Amerika Utara di beberapa kawasan terdapat ketiadaan aktiviti gunung berapi yang luar biasa lama dan di tanah di beberapa tempat terdapat kekurangan selenium yang teruk (ia adalah sebahagian daripada salah satu asid amino, yang diperlukan untuk kehidupan). Daripada ini, lembu, biri-biri dan kambing kekurangan selenium, dan kadang-kadang ini membawa kepada kematian ternakan (penambahan selenite kepada makanan ternakan di Amerika Syarikat dan Kanada malah dikawal oleh undang-undang).

Sesetengah penyelidik mencadangkan bahawa faktor ketersediaan mineral semata-mata harus menjadikan lautan-planet sebagai padang pasir biologi yang sebenar, di mana kehidupan, jika ada, sangat jarang berlaku. Dan kita tidak bercakap tentang bentuk yang sangat kompleks.

Penghawa dingin rosak

Sebagai tambahan kepada kekurangan mineral, ahli teori telah menemui potensi masalah kedua planet-lautan - mungkin lebih penting daripada yang pertama. Kita bercakap tentang kerosakan dalam kitaran karbon. Di planet kita, dia adalah sebab utama kewujudan iklim yang agak stabil. Prinsip kitaran karbon adalah mudah: apabila planet menjadi terlalu sejuk, penyerapan karbon dioksida oleh batuan menjadi perlahan dengan mendadak (proses penyerapan sedemikian berlangsung dengan cepat hanya dalam persekitaran yang hangat). Pada masa yang sama, "bekalan" karbon dioksida dengan letusan gunung berapi berjalan pada kadar yang sama. Apabila pengikatan gas berkurangan dan bekalan tidak berkurangan, kepekatan CO₂ secara semula jadi meningkat. Planet-planet, seperti yang anda ketahui, berada dalam ruang hampa antara planet, dan satu-satunya cara kehilangan haba yang ketara bagi mereka adalah sinarannya dalam bentuk gelombang inframerah. Karbon dioksida menyerap sinaran sedemikian dari permukaan planet, itulah sebabnya atmosfera menjadi sedikit panas. Ini menyejat wap air dari permukaan air lautan, yang juga menyerap sinaran inframerah (gas rumah hijau lain). Akibatnya, CO₂ yang bertindak sebagai pemula utama dalam proses pemanasan planet.

Mekanisme inilah yang membawa kepada fakta bahawa glasier di Bumi akan berakhir lambat laun. Dia juga tidak membenarkannya menjadi terlalu panas: pada suhu yang terlalu tinggi, karbon dioksida lebih cepat diikat oleh batu, selepas itu, disebabkan oleh tektonik plat kerak bumi, mereka secara beransur-ansur tenggelam ke dalam mantel. tahap CO₂jatuh dan iklim menjadi lebih sejuk.

Kepentingan mekanisme ini untuk planet kita tidak boleh dianggarkan terlalu tinggi. Bayangkan seketika pecahan penghawa dingin karbon: katakan, gunung berapi telah berhenti meletus dan tidak lagi menghantar karbon dioksida dari perut Bumi, yang pernah turun ke sana dengan plat benua lama. Glasiasi pertama benar-benar akan menjadi kekal, kerana lebih banyak ais di planet ini, lebih banyak sinaran suria dipantulkan ke angkasa. Dan sebahagian baru CO₂ tidak akan dapat mencairkan planet ini: ia tidak akan mempunyai tempat untuk datang.

Beginilah, secara teori, ia sepatutnya berlaku di planet-lautan. Walaupun aktiviti gunung berapi kadang-kadang boleh menembusi cangkang ais eksotik di dasar lautan planet, terdapat sedikit kebaikan mengenainya. Sesungguhnya, di permukaan dunia laut, tidak ada batu yang boleh mengikat karbon dioksida yang berlebihan. Iaitu, pengumpulannya yang tidak terkawal boleh bermula dan, dengan itu, terlalu panas planet ini.

Sesuatu yang serupa - benar, tanpa sebarang lautan planet - berlaku di Zuhrah. Tiada plat tektonik di planet ini sama ada, walaupun mengapa ini berlaku tidak diketahui. Oleh itu, letusan gunung berapi di sana, menembusi pada masa-masa melalui kerak, meletakkan banyak karbon dioksida ke atmosfera, tetapi permukaan tidak dapat mengikatnya: plat benua tidak tenggelam dan yang baru tidak timbul. Oleh itu, permukaan papak sedia ada telah mengikat semua CO₂, yang boleh, dan tidak boleh menyerap lebih banyak, dan ia sangat panas di Zuhrah sehingga plumbum akan sentiasa kekal cair di sana. Dan ini walaupun pada hakikatnya, mengikut pemodelan, dengan atmosfera Bumi dan kitaran karbon, planet ini akan menjadi kembar Bumi yang boleh didiami.

Adakah terdapat kehidupan tanpa penghawa dingin?

Pengkritik "chauvinisme terestrial" (kedudukan bahawa kehidupan mungkin hanya pada "salinan Bumi", planet dengan keadaan daratan yang ketat) segera bertanya soalan: mengapa, sebenarnya, semua orang memutuskan bahawa mineral tidak akan dapat menembusi lapisan ais eksotik? Lebih kuat dan lebih tidak dapat ditembusi penutup di atas sesuatu yang panas, lebih banyak tenaga terkumpul di bawahnya, yang cenderung pecah. Berikut adalah Venus yang sama - tektonik plat nampaknya tidak wujud, dan karbon dioksida melarikan diri dari kedalaman dalam kuantiti sedemikian sehingga tidak ada kehidupan daripadanya dalam erti kata literal. Akibatnya, perkara yang sama boleh dilakukan dengan penyingkiran mineral ke atas - batu pepejal semasa letusan gunung berapi jatuh sepenuhnya ke atas.

Walaupun begitu, masalah lain kekal - "penghawa dingin rosak" kitaran karbon. Bolehkah planet lautan boleh didiami tanpanya?

Terdapat banyak badan dalam sistem suria di mana karbon dioksida tidak sama sekali memainkan peranan sebagai pengawal selia utama iklim. Inilah, katakan, Titan, bulan besar Zuhal.

titanium. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universiti Nantes, Virginia Pasek, Universiti Arizona

Badan diabaikan berbanding dengan jisim Bumi. Walau bagaimanapun, ia terbentuk jauh dari Matahari, dan sinaran cahaya tidak "menguap" daripadanya unsur-unsur cahaya, termasuk nitrogen. Ini memberikan Titan suasana nitrogen yang hampir tulen, gas yang sama yang menguasai planet kita. Tetapi ketumpatan atmosfera nitrogennya adalah empat kali ganda daripada atmosfera kita - dengan graviti ia adalah tujuh kali lebih lemah.

Pada pandangan pertama pada iklim Titan, terdapat perasaan yang stabil bahawa ia sangat stabil, walaupun tidak ada penghawa dingin "karbon" dalam bentuk langsungnya. Cukuplah untuk mengatakan bahawa perbezaan suhu antara kutub dan khatulistiwa Titan hanya tiga darjah. Jika keadaannya sama di Bumi, planet ini akan menjadi lebih sekata dan secara amnya lebih sesuai untuk kehidupan.

Lebih-lebih lagi, pengiraan oleh beberapa kumpulan saintifik telah menunjukkan: dengan ketumpatan atmosfera lima kali lebih tinggi daripada Bumi, iaitu, satu perempat lebih tinggi daripada Titan, walaupun kesan rumah hijau nitrogen sahaja sudah cukup untuk turun naik suhu menurun. kepada hampir sifar. Di planet sedemikian, siang dan malam, baik di khatulistiwa dan di kutub, suhu akan sentiasa sama. Kehidupan duniawi hanya boleh mengimpikan perkara sedemikian.

Planet-lautan dari segi ketumpatannya hanya pada tahap Titan (1, 88 g / cm ³), dan bukan Bumi (5, 51 g / cm ³). Katakan, tiga planet di zon boleh huni TRAPPIST-1 40 tahun cahaya dari kita mempunyai ketumpatan dari 1.71 hingga 2.18 g / cm³. Dalam erti kata lain, kemungkinan besar, planet tersebut mempunyai ketumpatan atmosfera nitrogen yang lebih daripada mencukupi untuk mempunyai iklim yang stabil kerana nitrogen sahaja. Karbon dioksida tidak boleh mengubahnya menjadi Venus yang panas merah, kerana jisim air yang sangat besar boleh mengikat banyak karbon dioksida walaupun tanpa sebarang plat tektonik (karbon dioksida diserap oleh air, dan semakin tinggi tekanan, semakin banyak ia boleh mengandunginya).

Gurun laut dalam

Dengan bakteria luar angkasa dan archaea hipotesis, semuanya kelihatan mudah: mereka boleh hidup dalam keadaan yang sangat sukar dan untuk ini mereka tidak memerlukan banyak unsur kimia sama sekali. Ia lebih sukar dengan tumbuh-tumbuhan dan kehidupan yang sangat teratur dengan perbelanjaan mereka.

Jadi, planet lautan boleh mempunyai iklim yang stabil - kemungkinan besar lebih stabil daripada Bumi. Mungkin juga terdapat sejumlah besar mineral yang terlarut dalam air. Namun, kehidupan di sana tidak sama sekali Shrovetide.

Mari kita lihat Bumi. Kecuali untuk berjuta-juta tahun yang lalu, tanahnya sangat hijau, hampir tanpa bintik coklat atau kuning padang pasir. Tetapi lautan tidak kelihatan hijau sama sekali, kecuali beberapa zon pantai yang sempit. Kenapa begitu?

Masalahnya ialah di planet kita lautan adalah padang pasir biologi. Kehidupan memerlukan karbon dioksida: ia "membina" biojisim tumbuhan dan hanya daripadanya biojisim haiwan boleh diberi makan. Jika terdapat CO di udara di sekeliling kita₂ lebih daripada 400 ppm seperti sekarang, tumbuh-tumbuhan sedang mekar. Sekiranya kurang daripada 150 bahagian per juta, semua pokok akan mati (dan ini boleh berlaku dalam satu bilion tahun). Dengan kurang daripada 10 bahagian CO₂ per juta semua tumbuhan akan mati secara umum, dan dengan mereka semua bentuk kehidupan yang sangat kompleks.

Pada pandangan pertama, ini bermakna bahawa laut adalah hamparan sebenar untuk kehidupan. Sesungguhnya, lautan bumi mengandungi seratus kali ganda karbon dioksida daripada atmosfera. Oleh itu, perlu ada banyak bahan binaan untuk tumbuhan.

Sebenarnya, tiada apa yang lebih jauh dari kebenaran. Air di lautan Bumi ialah 1.35 quintillion (bilion bilion) tan, dan atmosfera hanya lebih lima quadrillion (juta bilion) tan. Iaitu, terdapat kurang CO dalam satu tan air.₂daripada satu tan udara. Tumbuhan akuatik di lautan Bumi hampir selalu mempunyai lebih sedikit CO₂ pada pelupusan mereka daripada yang terrestrial.

Lebih teruk lagi, tumbuhan akuatik hanya mempunyai kadar metabolisme yang baik dalam air suam. Iaitu, di dalamnya, CO₂ paling tidak, kerana keterlarutannya dalam air berkurangan dengan peningkatan suhu. Oleh itu, alga - berbanding dengan tumbuhan darat - wujud dalam keadaan kekurangan CO yang sangat besar yang berterusan.₂.

Itulah sebabnya percubaan saintis untuk mengira biojisim organisma darat menunjukkan bahawa laut, yang menduduki dua pertiga daripada planet ini, memberikan sumbangan yang tidak ketara kepada jumlah biojisim. Jika kita mengambil jumlah jisim karbon - bahan utama dalam jisim kering mana-mana makhluk hidup - penduduk tanah, maka ia bersamaan dengan 544 bilion tan. Dan di dalam badan penduduk laut dan lautan - hanya enam bilion tan, serbuk dari meja tuan, sedikit lebih daripada satu peratus.

Semua ini mungkin membawa kepada pendapat bahawa walaupun kehidupan di planet-lautan adalah mungkin, ia akan menjadi sangat, sangat tidak sedap dipandang. Biojisim Bumi, jika ia diliputi oleh satu lautan, semua benda lain adalah sama, dari segi karbon kering, hanya 10 bilion tan - lima puluh kali lebih rendah daripada sekarang.

Walau bagaimanapun, walaupun di sini masih terlalu awal untuk menamatkan dunia air. Hakikatnya ialah sudah pada tekanan dua atmosfera, jumlah CO₂, yang boleh larut dalam air laut, lebih daripada dua kali ganda (untuk suhu 25 darjah). Dengan atmosfera empat hingga lima kali lebih tumpat daripada Bumi - dan inilah yang anda jangkakan di planet seperti TRAPPIST-1e, g dan f - terdapat begitu banyak karbon dioksida di dalam air sehingga air lautan tempatan akan mula mendekati udara Bumi. Dalam erti kata lain, tumbuhan akuatik di planet dan lautan mendapati diri mereka berada dalam keadaan yang jauh lebih baik daripada di planet kita. Dan di mana terdapat lebih banyak biojisim hijau, dan haiwan mempunyai asas makanan yang lebih baik. Iaitu, tidak seperti Bumi, lautan planet-lautan mungkin bukan padang pasir, tetapi oasis kehidupan.

planet Sargasso

Tetapi apa yang perlu dilakukan jika planet lautan, disebabkan salah faham, masih mempunyai kepadatan atmosfera Bumi? Dan semuanya tidak begitu buruk di sini. Di Bumi, alga cenderung melekat pada bahagian bawah, tetapi jika tidak ada syarat untuk ini, ternyata tumbuhan akuatik boleh berenang.

Sebahagian daripada alga sargassum menggunakan kantung berisi udara (ia menyerupai anggur, oleh itu perkataan Portugis "sargasso" dalam nama Laut Sargasso) untuk memberikan daya apungan, dan secara teori ini membolehkan anda mengambil CO₂ dari udara, dan bukan dari air, di mana ia jarang berlaku. Oleh kerana daya apungan mereka, lebih mudah bagi mereka untuk melakukan fotosintesis. Benar, alga seperti itu membiak dengan baik hanya pada suhu air yang agak tinggi, dan oleh itu di Bumi ia agak baik hanya di beberapa tempat, seperti Laut Sargasso, di mana airnya sangat panas. Sekiranya planet lautan cukup panas, maka ketumpatan atmosfera bumi pun bukanlah halangan yang tidak dapat diatasi untuk tumbuhan marin. Mereka mungkin mengambil CO₂ dari atmosfera, mengelakkan masalah karbon dioksida rendah dalam air suam.

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

Menariknya, alga terapung di Laut Sargasso yang sama menimbulkan keseluruhan ekosistem terapung, sesuatu seperti "tanah terapung". Ketam tinggal di sana, yang mana daya apungan alga cukup untuk bergerak di permukaannya seolah-olah ia adalah tanah. Secara teorinya, di kawasan tenang di planet lautan, kumpulan tumbuhan laut terapung boleh membangunkan kehidupan yang agak "darat", walaupun anda tidak akan menemui tanah itu sendiri di sana.

Semak keistimewaan anda, wahai manusia

Masalah mengenal pasti tempat yang paling menjanjikan untuk mencari kehidupan ialah setakat ini kami mempunyai sedikit data yang membolehkan kami memilih pembawa kehidupan yang paling mungkin di kalangan calon planet. Dengan sendirinya, konsep "zon boleh dihuni" bukanlah pembantu terbaik di sini. Di dalamnya, planet-planet tersebut dianggap sesuai untuk kehidupan yang menerima jumlah tenaga yang mencukupi daripada bintangnya untuk menyokong takungan cecair sekurang-kurangnya pada bahagian permukaannya. Dalam sistem suria, kedua-dua Marikh dan Bumi berada dalam zon boleh didiami, tetapi pada kehidupan kompleks pertama di permukaan entah bagaimana tidak dapat dilihat.

Terutamanya kerana ini bukan dunia yang sama dengan Bumi, dengan atmosfera dan hidrosfera yang berbeza secara asasnya. Perwakilan linear dalam gaya "planet-lautan ialah Bumi, tetapi hanya ditutupi dengan air" boleh membawa kita ke dalam khayalan yang sama yang wujud pada awal abad ke-20 tentang kesesuaian Marikh untuk kehidupan. Oceanid sebenar boleh berbeza secara mendadak dari planet kita - mereka mempunyai suasana yang sama sekali berbeza, mekanisme penstabilan iklim yang berbeza, dan juga mekanisme yang berbeza untuk membekalkan tumbuhan marin dengan karbon dioksida.

Pemahaman terperinci tentang bagaimana dunia air sebenarnya berfungsi membolehkan kita memahami terlebih dahulu apakah zon yang boleh didiami untuk mereka, dan dengan itu dengan cepat mendekati pemerhatian terperinci tentang planet tersebut di James Webb dan teleskop besar lain yang menjanjikan.

Kesimpulannya, kita tidak boleh tidak mengakui bahawa sehingga baru-baru ini idea kita tentang dunia mana yang benar-benar didiami dan mana yang tidak, terlalu banyak menderita akibat antroposentrisme dan geosentrisme. Dan, seperti yang kini ternyata, dari "sushcentrism" - pendapat bahawa jika kita sendiri muncul di darat, maka ia adalah tempat yang paling penting dalam perkembangan kehidupan, dan bukan sahaja di planet kita, tetapi juga di matahari lain. Mungkin pemerhatian tahun-tahun akan datang tidak akan meninggalkan satu batu yang tidak dapat dielakkan dari sudut pandangan ini.