|
Действительно ли для жизни нужны планеты
|
|
|
|
Есть ли у нас планетарные предубеждения, когда речь заходит о том, чтобы понять, где может сохраниться жизнь? Это вполне естественно. В конце концов, мы живем на одной планете. Однако планеты, возможно, и не нужны для жизни, и пара ученых из Шотландии и США предлагают нам пересмотреть это предположение.
|
|
|
|
Мы рассматриваем планеты как среду обитания для жизни, потому что они отвечают условиям, необходимым для ее выживания. Вода в жидком виде, необходимая температура и давление для поддержания ее в жидком состоянии, а также защита от вредного излучения являются основными требованиями для фотосинтетической жизни. Но что, если другие среды обитания, даже те, которые поддерживаются самими организмами, также могут обеспечить эти потребности?
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в журнале Astrobiology, исследователи отмечают, что экосистемы могут создавать и поддерживать условия, необходимые для их собственного выживания, не нуждаясь в планете. Статья называется "Самоподдерживающиеся среды обитания во внеземных средах обитания". Авторы - Робин Вордсворт, профессор наук о Земле и планетах в Гарварде, и Чарльз Кокелл, профессор астробиологии в Школе физики и астрономии Эдинбургского университета.
|
|
|
|
"Стандартные определения обитаемости предполагают, что жизнь требует наличия планетарных гравитационных колодцев для стабилизации жидкой воды и регулирования температуры поверхности", - пишут они. "Здесь оцениваются последствия ослабления этого предположения".
|
|
|
|
|
|
|
Вордсворт и Кокелл пишут, что биологически созданные барьеры и структуры могут имитировать планетарные условия, которые позволяют существовать без планеты. Они могут пропускать свет для фотосинтеза, одновременно блокируя ультрафиолетовое излучение. Они также могут предотвращать потерю летучих веществ в вакууме и поддерживать диапазон температур и давлений, необходимый для того, чтобы вода оставалась в жидком состоянии.
|
|
|
|
"Биологически созданные барьеры, способные пропускать видимое излучение, блокировать ультрафиолет и поддерживать температурные градиенты в 25-100 К и перепады давления в 10 кПа по сравнению с космическим вакуумом, могут обеспечить пригодные для жизни условия на расстоянии от 1 до 5 астрономических единиц в Солнечной системе", - пишут они.
|
|
|
|
"Чтобы понять ограничения, накладываемые на жизнь за пределами Земли, мы можем начать с рассмотрения того, почему наша родная планета, в первую очередь, является хорошей средой обитания для жизни", - пишут авторы.
|
|
|
|
Земля обеспечивает не только жидкую воду и защиту от радиации. Это целая система, состоящая из сложных взаимодействующих слоев. Поверхность планеты находится под воздействием легкодоступного источника солнечной энергии, который управляет всей биосферой. Элементы, которые мы считаем необходимыми для жизни, доступны, хотя иногда и в ограниченном количестве: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера.
|
|
|
|
Они циркулируют в биосфере в результате вулканизма и тектоники плит и снова становятся доступными. На Земле также происходит окисление в атмосфере и на поверхности и уменьшение в других регионах, таких как отложения и глубокие слои недр. Это позволяет "использовать окислительно-восстановительные градиенты для метаболических целей", объясняют авторы.
|
|
|
|
Таких условий больше нигде нет. Астробиология изучает замороженные спутники Солнечной системы из-за их теплых и соленых океанов. Но есть ли у них циклы питательных веществ?
|
|
|
|
Объекты с малой массой во внешней части Солнечной системы имеют достаточную площадь поверхности, но солнечная энергия слаба. Маловероятно, что они смогут сохранить свою атмосферу, поэтому необходимые давление и температура для жидкой воды недоступны. Они также не защищены от ультрафиолетового излучения и космических лучей.
|
|
|
|
"Чтобы выжить за пределами Земли, - пишут авторы, - любой живой организм должен измениться или адаптироваться к окружающей среде в достаточной степени, чтобы преодолеть эти трудности".
|
|
|
|
Авторы пишут, что биологические материалы здесь, на Земле, уже могут это делать. Вполне вероятно, что экосистемы могли бы создать условия для своего собственного выживания, и если фотосинтезирующая жизнь может это делать в космическом вакууме, то и мы могли бы это сделать. Это было бы большим преимуществом для освоения космоса человеком.
|
|
|
|
Все начинается с воды, и когда речь заходит о жидкой воде, ученые ссылаются на ее тройную точку. Тройная точка - это термодинамическая точка отсчета, которая объясняет фазовые переходы и поведение воды при различных давлениях и температурах. "Минимальное давление, необходимое для поддержания воды в жидком состоянии, соответствует тройной точке: 611,6 Па при 0°C (273 К)", - объясняют исследователи. Это значение увеличивается до нескольких кПа в диапазоне от 15°C до 25°C.
|
|
|
|
Цианобактерии могут расти при давлении воздуха в 10 кПа, при условии, что освещение, температура и рН находятся в нужных пределах. Вопрос в том, создают ли какие-либо известные нам живые организмы стены, способные выдерживать давление в 10 кПа?
|
|
|
|
"Перепады внутреннего давления порядка 10 кПа легко поддерживаются биологическими материалами и на самом деле являются обычным явлением для макроскопических организмов на Земле", - пишут авторы. "Повышение кровяного давления от головы до ног человека ростом 1,5 м составляет около 15 кПа". Морские водоросли также могут поддерживать внутреннее давление в клубеньках на уровне 15-25 кПа, выделяя CO2 в результате фотосинтеза.
|
|
|
|
Температура является следующим фактором, когда речь заходит о жидкой воде. Земля поддерживает свою температуру за счет атмосферного парникового эффекта. Но, например, небольшие скалистые тела вряд ли смогут воспроизвести это. "Следовательно, биологически созданная среда обитания должна обеспечивать тот же эффект с помощью физики твердого тела", - пишут авторы.
|
|
|
|
Поступающая и исходящая энергия должны быть сбалансированы, и некоторые организмы на Земле эволюционировали для поддержания этого баланса. "Сахарские серебристые муравьи, например, развили способность улучшать как отражательную способность своей поверхности в ближнем инфракрасном диапазоне, так и тепловое излучение, что позволяет им выживать при температурах окружающей среды, превышающих диапазон всех других известных членистоногих", - пишут Вордсворт и Кокелл. Это позволяет им выживать, добывая пищу в дневную жару, когда хищникам приходится держаться подальше от солнца.
|
|
|
|
Люди создали аэрогели из кремнезема с чрезвычайно низкой плотностью и теплопроводностью. Хотя прямых биологических аналогов нет, авторы пишут, что "в природе существует множество организмов, которые вырабатывают сложные структуры из кремнезема".
|
|
|
|
На самом деле, некоторые диатомовые водоросли могут создавать структуры из кремнезема, манипулируя частицами кремнезема меньшего размера, чем те, которые используются в наших производственных процессах. Аэрогели, изготовленные из органических материалов, имеют характеристики, сходные с искусственными. "Учитывая это, вполне вероятно, что высокоизолирующие материалы могут быть получены искусственно из биогенного сырья или даже непосредственно живыми организмами", - пишут авторы.
|
|
|
|
Авторы подсчитали, что конструкции такого типа могут поддерживать нужную температуру и давление для поддержания воды в жидком состоянии.
|
|
|
|
"Как можно видеть, поддержание внутренней температуры на уровне 288 К возможно при широком диапазоне орбитальных расстояний", - объясняют они. "В этом расчете предполагается свободно плавающая среда обитания, но аналогичные соображения применимы к среде обитания на поверхности астероида, Луны или планеты".
|
|
|
|
Еще одной проблемой является потеря летучих веществ. Среда обитания, которая не может поддерживать свою атмосферу, не может поддерживать температуру и давление, необходимые для получения жидкой воды. "Все материалы обладают некоторой проницаемостью для атомов и малых молекул, и в течение длительного времени космический вакуум представляет собой практически постоянный источник летучих веществ", - объясняют авторы.
|
|
|
|
Эту проблему можно решить с помощью тех же барьеров, которые поддерживают давление и температуру. "Подавление выхода летучих веществ было бы проще всего обеспечить с помощью той же части стены среды обитания, которая отвечает за поддержание перепада давления, необходимого для стабилизации жидкой воды", - пишут авторы.
|
|
|
|
Авторы также рассматривают воздействие ультрафиолетового излучения. Радиация может быть смертельной, но на Земле есть примеры жизни, которые эволюционировали, чтобы понять это. "Однако он легко блокируется такими соединениями, как аморфный диоксид кремния и восстановленное железо, которые сегодня ослабляют ультрафиолетовое излучение в окремненных биопленках и строматолитах, не блокируя видимое излучение, необходимое для фотосинтеза", - пишут они.
|
|
|
|
Доступность солнечной энергии для фотосинтеза, вероятно, не является большим препятствием во многих частях Солнечной системы. Авторы отмечают, что арктические водоросли растут подо льдом при чрезвычайно слабом освещении.
|
|
|
|
Для этого потребуется определенный круговорот питательных веществ, как на Земле. "В долгосрочной перспективе дополнительным фактором является способность замкнутой экосистемы перерабатывать отходы, такие как стойкие органические вещества, и поддерживать внутренние окислительно-восстановительные градиенты", - объясняют авторы.
|
|
|
|
Экстремальная жара в недрах Земли делает свое дело, но без этих экстремальных условий "полностью замкнутая экосистема в космосе потребовала бы некоторого внутреннего разделения для создания химических градиентов и специальной биоты, способной расщеплять непокорные отходы", - пишут они.
|
|
|
|
В своей статье авторы рассматривают другие факторы, такие как размер клетки и факторы, которые ограничивают размер одноклеточных организмов и более крупных и сложных организмов. Они приходят к выводу, что нельзя исключать полностью автономные среды обитания. "Тем не менее, полностью автономная система, способная к регенерации и росту, по-видимому, не запрещена никакими физическими или химическими ограничениями, и поэтому ее интересно рассмотреть немного подробнее", - пишут они.
|
|
|
|
Это возможно при условии, что система сможет восстанавливать свои стенки. Авторы отмечают, что существующая фотосинтетическая жизнь уже может производить аморфный кремнезем и органические полимеры. Эти материалы могут служить стенами и, по крайней мере, показывают, что существует путь, по которому организмы могли бы эволюционировать, создавая стены для обитания. "Более автономная среда обитания могла бы выращивать свой собственный материал для стен, подобно тому, как растительные клетки восстанавливают свои собственные стенки в микрометровом масштабе", - объясняют они.
|
|
|
|
Мы склонны думать, что если жизнь и существует где-то еще, то она следует тому же эволюционному пути, что и здесь, на Земле, но это может оказаться неправдой. "Поскольку эволюция жизни в других местах, возможно, шла по совершенно иным путям, чем на Земле, места обитания живых существ могли также существовать за пределами традиционных обитаемых сред вокруг других звезд, где они имели бы необычные, но потенциально обнаруживаемые биосигналы", - пишут авторы.
|
|
|
|
Авторы задаются вопросом: "Могли ли биологические структуры, которые мы здесь обсуждаем, развиться естественным путем, без вмешательства разума?" Они утверждают, что неразумная жизнь может поддерживать все условия, необходимые для выживания во внеземной среде.
|
|
|
|
"Жизнь на Земле еще не достигла этого, хотя со временем она, безусловно, адаптировалась ко все более широкому спектру условий окружающей среды", - заключают они. "Изучение вероятности различных путей эволюции жизни в альтернативных планетарных граничных условиях станет интересной темой для будущих исследований".
|
|
|
|
Источник
|
