|
Чему может научить нас молодая Земля в поисках жизни
|
|
|
|
Земля - единственная известная нам планета, поддерживающая жизнь, поэтому есть соблазн использовать ее в качестве эталона при поиске жизни в других местах. Но современная Земля не может служить основой для оценки экзопланет и их потенциала для поддержания жизни. Атмосфера Земли радикально изменилась за 4,5 миллиарда лет ее существования. Лучший способ - определить, какие биомаркеры присутствовали в атмосфере Земли на разных этапах ее эволюции, и на этой основе судить о других планетах. Именно так поступила группа исследователей из Великобритании и США. Их исследование называется "Ранняя Земля как аналог экзопланетной биогеохимии" и опубликовано на сервере предварительной печати arXiv. Ведущим автором является Ева Э. Стюкен, аспирантка Школы наук о Земле и окружающей среде Университета Сент-Эндрюс, Великобритания. Когда Земля сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, ее атмосфера была совсем не такой, как сегодня. В то время атмосфера и океаны были бескислородными. Около 2,4 миллиарда лет назад в атмосфере начал накапливаться свободный кислород во время Великого процесса насыщения кислородом, одного из определяющих периодов в истории Земли. Но кислород поступал из самой жизни, то есть жизнь существовала, когда атмосфера Земли была совсем другой.
|
|
|
|
Это не единственный пример того, как менялась атмосфера Земли с течением геологического времени. Но он поучителен и показывает, почему поиск жизни означает нечто большее, чем просто поиск атмосферы, подобной современной Земной. Если бы мы проводили поиск таким образом, то пропустили бы миры, где фотосинтез еще не возник. В своем исследовании авторы указывают на то, что на Земле миллиарды лет существовала богатая и эволюционирующая популяция микробов в различных атмосферных условиях. "Большую часть этого времени Земля была населена исключительно микробной биосферой, хотя со временем ее сложность, по-видимому, возрастала", - пишут авторы. "Таким образом, обширные данные об этой геобиологической эволюции на протяжении большей части истории Земли дают представление о возможности дистанционного обнаружения микробной жизни в различных планетарных условиях". Со временем меняется не только жизнь. Тектоника плит изменилась и, возможно, долгое время была тектоникой "застойной крышки". При застойной тектонике плиты не перемещаются горизонтально. Это может иметь последствия для химического состава атмосферы.
|
|
|
Суть в том, что атмосфера Земли не отражает солнечную туманность, в которой сформировалась планета. Со временем атмосферу изменили многочисленные взаимосвязанные процессы. Поиск жизни предполагает не только лучшее понимание этих процессов, но и определение того, на какой стадии могут находиться экзопланеты. Общеизвестно, что биологические процессы могут оказывать огромное влияние на атмосферу планет. "На современной Земле состав атмосферы очень сильно контролируется жизнью", - пишут исследователи. "Однако любые потенциальные атмосферные биосигналы должны быть отделены от абиотических (геологических и астрофизических) процессов, которые также влияют на планетарные атмосферы и будут доминировать в безжизненных мирах и на планетах с очень маленькой биосферой". Авторы описывают то, что, по их словам, является наиболее важными уроками, которые ранняя Земля может преподать нам в плане поиска жизни. Во-первых, на протяжении своей долгой истории Земля на самом деле имела три разные атмосферы. Первая атмосфера образовалась в солнечной туманности и была утрачена вскоре после образования планеты. Это первичная атмосфера. Вторая атмосфера образовалась в результате выделения газов из недр планеты.
|
|
|
|
Третий из них, современная атмосфера Земли, сложен. Это балансирующий процесс, включающий в себя жизнь, тектонику плит, вулканизм и даже выход из атмосферы. Лучшее понимание того, как менялась атмосфера Земли с течением времени, дает исследователям лучшее представление о том, что они видят в атмосферах экзопланет. Во-вторых, чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем больше изменяются или разрушаются записи о ранней жизни на Земле. Наши лучшие свидетельства свидетельствуют о том, что жизнь существовала 3,5 миллиарда лет назад, возможно, даже 3,7 миллиарда лет назад. Если это так, то первая жизнь, возможно, существовала на планете, покрытой океанами, без континентальных массивов суши и только на вулканических островах. Если бы между 3,5 и 3,7 миллиардами лет назад наблюдалась интенсивная вулканическая и геологическая активность, то наблюдались бы значительные потоки CO2 и H2. Поскольку они являются субстратами для метаногенеза, то метан, возможно, был в изобилии обнаружен в атмосфере.
|
|
|
|
Третий вывод, который делают авторы, заключается в том, что на планете может существовать жизнь, вырабатывающая кислород, в течение длительного времени, прежде чем кислород будет обнаружен в атмосфере. Ученые считают, что кислородный фотосинтез появился на Земле в середине архейского периода. Архейский период длился от 4 до 2,5 миллиардов лет назад, таким образом, середина архея - это примерно 3,25 миллиарда лет назад. Но кислород не мог накапливаться в атмосфере до тех пор, пока около 2,4 миллиардов лет назад не произошло Великое насыщение кислородом. Кислород является мощным биомаркером, и если он будет обнаружен в атмосфере экзопланеты, это станет поводом для волнения. Но жизнь на Земле существовала задолго до того, как атмосферный кислород был обнаружен. Четвертый урок посвящен возникновению горизонтальной тектоники плит и ее влиянию на химический состав. "Начиная с ГЭ Земля выглядела тектонически так же, как и сегодня", - пишут авторы. Океаны, вероятно, были разделены на бескислородный и насыщенный кислородом поверхностный слои. Однако гидротермальная активность постоянно приводила к поступлению двухвалентного железа в океаны. Это привело к повышению уровня сульфатов в морской воде, что привело к снижению содержания метана в атмосфере. Без этого метана биосферу Земли было бы гораздо труднее обнаружить.
|
|
|
|
"За последние 4,5 миллиарда лет планета Земля превратилась из полностью бескислородной планеты с, возможно, иным тектоническим режимом в насыщенный кислородом мир с горизонтальной тектоникой плит, который мы знаем сегодня", - объясняют авторы. Вся эта сложная эволюция позволила жизни появиться и процветать, но она также усложняет обнаружение более ранних биосфер на экзопланетах. Мы находимся в крайне невыгодном положении в поисках жизни на экзопланетах. Мы можем буквально копаться в древних породах Земли, чтобы попытаться разгадать долгую историю жизни на Земле и то, как менялась атмосфера на протяжении миллиардов лет. Когда дело доходит до экзопланет, все, что у нас есть, - это телескопы. Телескопы становятся все более мощными, но тем не менее остаются телескопами. В то время как мы начинаем исследовать нашу собственную солнечную систему, особенно Марс и его океанические спутники, вращающиеся вокруг газовых гигантов, другие солнечные системы находятся за пределами нашей физической досягаемости.
|
|
|
|
"Вместо этого мы должны дистанционно распознавать присутствие инопланетных биосфер и характеризовать их биогеохимические циклы по планетарным спектрам, полученным с помощью крупных наземных и космических телескопов", - пишут авторы. "Эти телескопы могут исследовать состав атмосферы, обнаруживая особенности поглощения, связанные с определенными газами". Исследование атмосферных газов - наш самый эффективный подход на данный момент, как показывает JWST. Но по мере того, как ученые будут получать более совершенные инструменты, они начнут выходить за рамки химии атмосферы. "Возможно, мы также сможем распознавать особенности поверхности в глобальном масштабе, включая взаимодействие света с фотосинтетическими пигментами и "блеск", возникающий из-за зеркального отражения света жидким океаном". Понимание того, что мы наблюдаем в атмосфере экзопланет, соответствует нашему пониманию долгой истории Земли. Земля может стать ключом к расширению и ускорению поиска жизни. "Раскрытие деталей сложной биогеохимической истории Земли и ее взаимосвязи с дистанционно наблюдаемыми спектральными сигналами является важным фактором при разработке приборов и наших собственных поисках жизни во Вселенной", - пишут авторы.
|
|
|
|
Источник
|
