05.11.2022. - Могла ли сама жизнь сделать Марс непригодным для жизни

Могла ли сама жизнь сделать Марс непригодным для жизни

Четыре миллиарда лет назад Солнечная система была еще молода. Почти полностью сформировавшись, его планеты стали немного реже подвергаться ударам астероидов. Наша собственная планета могла стать пригодной для жизни еще 3,9 миллиарда лет назад, но ее примитивная биосфера сильно отличалась от сегодняшней. Жизнь еще не изобрела фотосинтез, который примерно через 500 миллионов лет станет ее основным источником энергии. Таким образом, первобытные микробы — общие предки всех нынешних форм жизни на Земле — в океанах нашей планеты должны были выживать за счет другого источника энергии. Они потребляли химические вещества, выделяемые изнутри планеты через ее гидротермальные системы и вулканы, которые накапливались в атмосфере в виде газа.

Одними из древнейших форм жизни в нашей биосфере были микроорганизмы, известные как «гидрогенотрофные метаногены», которые особенно извлекали выгоду из состава атмосферы того времени. Питаясь CO2 (углекислым газом) и H2 (диводородом), которые были в изобилии в атмосфере (где H2 составляет от 0,01 до 0,1% состава атмосферы, по сравнению с нынешним приблизительным значением 0,00005%), они использовали достаточно энергии, чтобы колонизировать поверхность. океанов нашей планеты.

Взамен они выбрасывали в атмосферу большое количество CH4 (также известного как метан, от которого они и получили свое название), мощного парникового газа, который накапливался и нагревал климат. Поскольку наше Солнце в то время было не таким ярким, как сегодня, оно, возможно, не могло поддерживать умеренные условия на поверхности планеты без вмешательства других аспектов. Таким образом, благодаря этим метаногенам само появление жизни на Земле могло само по себе помочь обеспечить обитаемость нашей планеты, создав правильные условия для эволюции и усложнения земной биосферы на последующие миллиарды лет.

Хотя это наиболее вероятное объяснение раннего развития обитаемости на Земле, как это было на других планетах Солнечной системы, таких как наша соседка, красная планета? По мере того, как мы продолжаем исследовать Марс, становится все яснее, что на его поверхности одновременно развивались условия окружающей среды, которые позволили метаногенам процветать в океанах на Земле.

Микробная жизнь могла существовать в пределах первых четырех километров пористой коры Марса. Там у него было бы укрытие от суровых поверхностных условий (в частности, вредных ультрафиолетовых лучей), более благоприятные температуры, совместимые с жидкой водой, и потенциально богатый источник энергии в виде атмосферных газов, выделяющихся в земной коре. В свете этих аспектов наша исследовательская группа, естественно, пришла к одному ключевому вопросу: могли ли те же жизнеобразующие события, которые произошли на Земле, произойти и на Марсе?

Мы решили ответить на этот вопрос, используя три модели, кульминацией которых стали результаты, недавно опубликованные в научном журнале Nature Astronomy. Первая модель позволила нам оценить, как вулканизм на поверхности Марса, внутренний химический состав его атмосферы и выброс некоторых химических веществ в космос могли определять давление и состав атмосферы планеты. Эти же характеристики определяли бы тогда характер климата.

Вторая модель стремилась определить физические и химические характеристики пористой коры Марса, а именно температуру, химический состав и наличие жидкой воды. Они частично определялись поверхностными условиями (т. е. температурой поверхности и составом атмосферы) и частично внутренними характеристиками планеты (т. е. внутренним температурным градиентом и пористостью земной коры).

Эти первые две модели позволили нам смоделировать поверхность и подземную среду молодой планеты Марс. Однако осталось много неопределенностей в отношении основных характеристик этой среды (например, уровня вулканизма в то время и температурного градиента земной коры). Чтобы решить эту проблему, мы использовали нашу модель для изучения огромного количества потенциальных характеристик, что привело к набору сценариев относительно того, как Марс мог выглядеть примерно четыре миллиарда лет назад.

Третья и последняя модель относится к биологии гипотетических марсианских метаногенных микроорганизмов, основанная на теории о том, что они были бы похожи на метаногены на Земле, по крайней мере, с точки зрения энергетических потребностей. Используя эту модель, мы могли бы оценить условия жизни на Земле для наших микробов по сравнению с подземными условиями окружающей среды на Марсе в соответствии с каждым экологическим сценарием, созданным двумя предыдущими моделями.

Там, где данные условия считались пригодными для жизни, третья модель оценивала, как эти микроорганизмы выжили бы под поверхностью Марса и - наряду с моделями коры и поверхности - как эта подземная микробная биосфера повлияла бы на химический состав коры, а также атмосферу и климат. Объединив микроскопический масштаб биологии метаногенных микробов с глобальным масштабом климата Марса, эти три модели вместе помогли смоделировать поведение марсианской планетарной экосистемы.

Подземная обитаемость, скорее всего, существовала в коре Марса. Ряд геологических подсказок указывает на потоки жидкой воды на поверхности Марса четыре миллиарда лет назад, которые сформировали реки, озера и, возможно, даже океаны. Таким образом, марсианский климат был более умеренным, чем сегодня. Объясняя, как мог возникнуть такой климат, наша модель поверхности предполагает, что у Марса была плотная атмосфера (примерно такой же плотности, как у нашей планеты сегодня), которая была особенно богата CO2 и H2, даже больше, чем планета Земля. в это время. Этот богатый СО2 атмосферный контекст, по существу, мог придать атмосферному Н2 характеристики чрезвычайно мощного парникового газа. Этот H2 был бы даже более мощным, чем CH4 при тех же условиях. Другими словами, если бы 1% марсианской атмосферы составлял H2, климат был бы нагрет больше, чем если бы 1% составлял CH4.

Согласно нескольким сценариям, созданным нашими моделями, одного этого парникового эффекта было бы недостаточно для создания климатических условий, необходимых для поддержания жидкой воды на поверхности Марса, а это означает, что Красная планета была покрыта льдом. Более того, если бы в глубине марсианской коры существовали подходящие температуры, они также не сделали бы ее более пригодной для жизни. Заблокированные поверхностным льдом, никакие атмосферные CO2 и H2 — важнейший источник энергии для метаногенной жизни — не смогли бы проникнуть в земную кору.

Тем не менее, большинство наших сценариев указывает на то, что наличие жидкой воды на поверхности планеты было бы возможно, по крайней мере, в ее более теплых областях, где атмосферные СО2 и Н2 действительно могли проникнуть в земную кору. Наша биологическая модель свидетельствует о том, что во всех этих сценариях метаногенные микроорганизмы нашли бы подходящие температуры и имели бы доступ к источнику энергии, достаточному для их выживания в пределах первых нескольких сотен метров земной коры. Короче говоря, хотя у нас пока нет никаких фактических доказательств жизни на Марсе, будь то в прошлом или настоящем, марсианская кора четыре миллиарда лет назад вполне могла содержать подземную биосферу, состоящую из метаногенных микроорганизмов. Могли ли эти гипотетические марсианские метаногенные формы жизни подогреть климат своей планеты так же, как их земные собратья? Увы, ответ, похоже, таков: нет. Подземная биосфера, основанная на метаногене, поглотила бы большую часть H2 планеты и высвободила бы значительное количество CH4, что привело бы к глубоким изменениям в марсианской атмосфере.

Тем не менее, как мы видели, H2 был более сильным парниковым газом, чем CH4, в контексте ранней марсианской атмосферы, их соответствующие парниковые эффекты были противоположны тем, которые наблюдаются в нынешней атмосфере Земли, или тому, что наблюдалось бы в ранней атмосфере Земли. . В то время как появление метаногенеза на Земле помогло создать благоприятный климат и консолидировать земную обитаемость, метаногенная жизнь на Марсе, потребляя большую часть атмосферного H2 планеты, резко охладила ее климат на несколько десятков градусов и способствовала увеличению ледяного покрова. Даже в регионах без поверхностного льда нашим гипотетическим микроорганизмам, вероятно, пришлось бы искать более жизнеспособные температуры, продвигаясь глубже в земную кору и удаляясь от своего атмосферного источника энергии. Таким образом, действия этих форм жизни сделали бы Марс менее гостеприимным для жизни, чем это было изначально.

В 1970-х годах Джеймс Лавлок и Линн Маргулис разработали гипотезу Гайи, которая предполагает, что обитаемость Земли поддерживается синергетической саморегулирующейся системой, включающей как земную биосферу, так и саму планету. Мы, человеческий вид, являемся прискорбной аномалией в этой теории. С тех пор гипотеза Гайи вызвала появление идеи «узкого места Гайи». Это утверждает, что во Вселенной есть необходимые условия для жизни, но когда жизнь действительно появляется, она редко способна поддерживать долгосрочную обитаемость своей планетарной среды. Результаты нашего исследования еще более пессимистичны. Как показано на примере марсианского метаногенеза, даже самые простые формы жизни могут активно подвергать опасности обитаемость своей планетарной среды.

Источник