КосмосВозможность жизни на водных планетах
Добромир11.08.20200
Большинство известных нам планет по массе больше Земли, но меньше Сатурна. Чаще всего среди них встречаются «мини-нептуны» и «суперземли» — объекты, в пару раз массивнее нашей планеты. Открытия последних лет дают все больше оснований полагать, что суперземли — это планеты, чей состав сильно отличается от нашей. Более того, выяснилось и то, что планеты земных размеров в других системах, скорее всего, будут отличаться от Земли куда более богатыми легкими элементами и соединениями, в том числе и водой. И это хороший повод задаться вопросом о том, насколько они пригодны для жизни.
Упомянутые отличия «экзоземель» от Земли объясняются тем, что три четверти всех звезд Вселенной — это красные карлики, светила, значительно менее массивные, чем Солнце. Как показывают наблюдения, планеты вокруг них часто находятся в зоне обитаемости — то есть там, где они получают от своей звезды примерно столько же энергии, сколько Земля от Солнца. Причем часто планет в зоне обитаемости красных карликов чрезвычайно много: в «поясе Златовласки» звезды TRAPPIST-1, например, сразу три планеты.
И это очень странно. Зона обитаемости красных карликов лежит в миллионах километров от звезды, а не в 150—225 миллионах, как в Солнечной системе. Между тем сразу несколько планет не могут образоваться в миллионах километров от своей звезды — размер ее протопланетного диска не позволит. Да, у красного карлика он меньше, чем у желтого, типа нашего Солнца, но не в сотню и даже не в полсотни раз.
Дополнительно усложняет ситуацию то, что астрономы научились более или менее точно «взвешивать» планеты у далеких звезд. И тут же оказалось, что если соотнести их массу и размеры, то получается, что плотность таких планет в два и даже в три раза меньше земной. А это в принципе невозможно, если планеты эти образовались в миллионах километров от своей звезды. Потому что при таком близком расположении излучение светила должно было буквально вытолкнуть основную массу легких элементов вовне.
Именно так, к примеру, случилось в Солнечной системе. Взглянем на Землю: она сформировалась в зоне обитаемости, но воды в ее массе не более одной тысячной. Если плотность целого ряда миров у красных карликов в два-три раза ниже, то воды там никак не менее 10 процентов, а то и больше. То есть в сотню раз больше, чем на Земле. Следовательно, они сформировались вне зоны обитаемости и лишь затем мигрировали туда. Звездному излучению легко лишить легких элементов близкие к светилу зоны протопланетного диска. А вот мигрировавшую из дальней части протопланетного диска уже готовую планету лишить легких элементов гораздо тяжелее — нижние слои там защищены верхними. И потеря воды неизбежно протекает довольно медленно. Типичная суперземля в обитаемой зоне не сможет потерять даже половину своей воды и за все время существования, например, Солнечной системы.
Итак, самые массовые звезды Вселенной часто имеют планеты, в которых очень много воды. Это, по всей видимости, означает, что планет таких куда больше, чем таких, как Земля. Следовательно, хорошо бы разобраться, есть ли в подобных местах возможность возникновения и развития сложной жизни.
Нужно больше минералов
И тут начинаются большие проблемы. Никаких близких аналогов суперземель с большим количеством воды в Солнечной системе нет, а в отсутствие примеров, доступных для наблюдения, планетологам буквально не от чего отталкиваться. Приходится смотреть на фазовую диаграмму воды и прикидывать, какие же параметры будут у разных слоев планет-океанид.
Фазовая диаграмма состояния воды. Римскими цифрами обозначены модификации льда. Почти весь лед на Земле относится к группе Ih, и очень малая доля (в верхних слоях атмосферы) — к Ic. Изображение: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0
Получается, что если на планете размером с Землю воды будет в 540 раз больше, чем здесь, то она полностью покроется океаном глубиной более ста километров. На дне таких океанов давление будет таким большим, что там начнет образовываться лед такой фазы, который остается твердым даже при весьма высоких температурах, поскольку воду удерживает в твердом состоянии огромное давление.
Если дно всепланетного океана покрыто толстым слоем льда, жидкая вода будет лишена контакта с твердыми силикатного породами. Без такого контакта минералам в ней будет, по сути, неоткуда взяться. Что еще хуже — нарушится углеродный цикл.
Начнем с минералов. Без фосфора жизни — в формах, известных нам, — быть не может, потому что без него нет нуклеотидов и, соответственно, ДНК. Сложно будет и без кальция — например, наши кости состоят из гидроксилапатита, в котором не обойтись и без фосфора, и без кальция. Проблемы с доступностью тех или иных элементов возникают иной раз и на Земле. Скажем, в Австралии и в Северной Америке в ряде местностей аномально долго не было вулканической активности и в почвах кое-где сильно не хватает селена (входит в состав одной из аминокислот, необходим для жизни). От этого коровы, овцы и козы страдают дефицитом селена, и иногда это приводит к гибели скота (добавки селенита в корм скота в США и Канаде даже регулируются законом).
Некоторые исследователи предполагают, что один только фактор доступности минералов должен делать планеты-океаны настоящими биологическими пустынями, где жизнь если и есть, то крайне редкая. А о действительно сложных формах речь просто не идет.
Сломанный кондиционер
Кроме дефицита минералов теоретики обнаружили и вторую потенциальную проблему планет-океанов — возможно, даже важнее первой. Речь идет о сбоях в работе углеродного цикла. На нашей планете он — главная причина существования относительно стабильного климата. Принцип работы углеродного цикла прост: когда на планете становится чересчур холодно, поглощение углекислого газа горными породами резко замедляется (процесс такого поглощения быстро идет только в теплой среде). При этом «поставки» углекислого газа с извержениями вулканов идут в прежнем темпе. Когда связывание газа падает, а поступление не снижается, концентрация CO₂ естественным образом растет. Планеты, как известно, находятся в вакууме межпланетного пространства, и единственный значимый путь потери тепла для них — его излучение в виде волн инфракрасного излучения. Углекислый газ такое излучение от поверхности планеты поглощает, отчего атмосфера слегка подогревается. От этого с водной глади океанов испаряется водяной пар, который также поглощает ИК-излучение (еще один парниковый газ). В итоге именно CO₂ выступает главным застрельщиком в процессе нагрева планеты.
Именно этот механизм приводит к тому, что оледенения на Земле рано или поздно заканчиваются. Он же не дает ей и перегреваться: при чрезмерно высоких температурах углекислый газ быстрее связывается горными породами, после чего они, в силу тектоники плит земной коры, постепенно тонут в мантии. Уровень CO2 падает, и климат становится более прохладным.
Важность этого механизма для нашей планеты трудно переоценить. Представим на секунду поломку углеродного кондиционера: скажем, вулканы перестали извергаться и больше не доставляют из недр Земли углекислый газ, некогда опустившийся туда со старыми континентальными плитами. Первое же оледенение станет буквально вечным, ведь чем больше на планете льда, тем больше солнечного излучения она отражает в космос. А новая порция CO2 не сможет разморозить планету: ей неоткуда будет взяться.
Именно так, по идее, должно быть на планетах-океанах. Даже если вулканическая активность временами и сможет прорвать панцирь экзотического льда на дне планетарного океана, хорошего в этом мало. Ведь на поверхности морского мира просто нет горных пород, которые могли бы связать избыточный углекислый газ. То есть может начаться его неконтролируемое накопление и, соответственно, перегрев планеты.
Нечто подобное — правда, безо всякого всепланетного океана — случилось на Венере. На этой планете тоже нет тектоники плит, хотя почему так вышло, толком неизвестно. Поэтому вулканические извержения там, прорываясь временами через кору, поставили в атмосферу много углекислого газа, но поверхность не может его связать: континентальные плиты не погружаются вниз и новые не поднимаются наверх. Поэтому поверхность существующих плит уже связала весь СО2, который могла, и больше поглотить не может, и на Венере так жарко, что свинец там всегда останется жидкостью. И это при том, что, согласно моделированию, при земной атмосфере и углеродном цикле эта планета была бы пригодным для обитания близнецом Земли.
Есть ли жизнь без кондиционера?
Критики «земного шовинизма» (позиции, гласящей, что жизнь возможна только на «копиях Земли», планетах со строго земными условиями) тут же задали вопрос: а почему, собственно, все решили, что минералы не смогут прорываться через слой экзотического льда? Чем прочнее и непроницаемее крышка над чем-то раскаленным, тем больше под ней скапливается энергии, которая стремится вырваться наружу. Вот та же Венера — тектоники плит вроде нет, а углекислый газ прорвался из недр в таких количествах, что житья от него нет в прямом смысле этого слова. Следовательно, то же самое возможно и с выносом наверх минералов — твердые породы при вулканических извержениях вполне попадают наверх.
Но даже если так, остается другая проблема — «сломанный кондиционер» углеродного цикла. Может ли планета-океан быть обитаемой и без него?
В Солнечной системе немало тел, на которых углекислый газ вовсе не играет роль главного регулятора климата. Вот, скажем, Титан, крупный спутник Сатурна.
Титан. Фото: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona
Тело это ничтожно малой в сравнении с Землей массы. Однако оно образовалось далеко от Солнца, и излучение светила не «выпарило» из него легкие элементы, в том числе азот. От этого на Титане атмосфера почти из чистого азота, того же газа, что доминирует на нашей планете. Вот только плотность его азотной атмосферы вчетверо больше нашей — при гравитации в семь раз слабее.
При первом же взгляде на климат Титана возникает устойчивое ощущение, что он крайне стабилен, хотя «углеродного» кондиционера в прямом виде там и нет. Достаточно сказать, что между полюсом и экватором Титана разница температур — всего три градуса. Будь на Земле такая же ситуация, планета была бы куда более равномерно заселена и в целом более пригодна для жизни.
Более того, расчеты ряда научных групп показали: при плотности атмосферы в пять раз выше земной, то есть на четверть выше, чем на Титане, даже парникового эффекта одного только азота вполне хватит для того, что температурные колебания упали почти до нуля. На такой планете и днем, и ночью, и на экваторе, и на полюсе температура была бы всегда одинаковой. Земная жизнь о таком может только мечтать.
Планеты-океаны по своей плотности находятся как раз на уровне Титана (1,88 г/см³), а не Земли (5,51 г/см³). Скажем, три планеты в зоне обитаемости TRAPPIST-1 в 40 световых годах от нас имеют плотность от 1,71 до 2,18 г/см³. Иными словами, скорее всего, у подобных планет более чем достаточная плотность азотной атмосферы, чтобы иметь стабильный климат за счет одного только азота. Углекислый газ не сможет превратить их в раскаленную Венеру, потому что действительно большая масса воды может связать много углекислого газа даже безо всякой тектоники плит (углекислый газ поглощается водой, причем чем выше давление, тем больше она может его содержать).
Глубоководные пустыни
С гипотетическими внеземными бактериями и археями все, кажется, просто: они могут жить в весьма тяжелых условиях и им для этого вовсе не нужно изобилие множества химических элементов. Сложнее с растениями и живущей за их счет высокоорганизованной жизнью.
Итак, планеты-океаны могут иметь стабильный климат — очень вероятно, что более стабильный, чем имеет Земля. Возможно и наличие там заметного количества минералов, растворенных в воде. И все же жизнь там вовсе не масленица.
Взглянем на Землю. Если не брать последние миллионы лет, ее суша — чрезвычайно зеленая, почти лишенная бурых или желтых пятен пустынь. А вот океан зеленым вовсе не выглядит, кроме отдельных узких прибрежных зон. Почему так?
Все дело в том, что на нашей планете океан — это биологическая пустыня. Жизнь требует углекислого газа: из него «строится» растительная биомасса и только с нее может кормиться биомасса животная. Если в воздухе вокруг нас CO2 больше 400 частей на миллион, как сейчас, то растительность расцветает. Если его стало бы меньше 150 частей на миллион, все деревья погибли бы (и такое может случиться через миллиард лет). При менее чем 10 частях СО2 на миллион все растения погибли бы вообще, а вместе с ними — и все действительно сложные формы жизни.
На первый взгляд, это должно означать, что в море — настоящее раздолье для жизни. Ведь в земных океанах содержится в сто раз больше углекислого газа, чем в атмосфере. Следовательно, строительного материала для растений должно быть очень много.
На деле нет ничего дальше от истины. Воды в океанах Земли — 1,35 квинтиллиона (миллиарда миллиардов) тонн, а атмосферы — чуть больше пяти квадриллионов (миллионов миллиардов) тонн. То есть в тонне воды заметно меньше СО2, чем в тонне воздуха. Водные растения в земных океанах почти всегда имеют куда меньше СО2 в своем распоряжении, чем наземные.
Что еще хуже — водные растения имеют хорошую скорость метаболизма только в теплой воде. А именно в ней СО2 меньше всего, ведь растворимость его в воде падает с ростом температур. Поэтому водоросли — в сравнении с наземными растениями — существуют в условиях постоянного колоссального дефицита СО2.
Именно поэтому попытки ученых подсчитать биомассу земных организмов показывают, что море, занимающее две трети планеты, вносит ничтожный вклад в общую биомассу. Если взять общую массу углерода — ключевого материала в сухой массе любого живого существа — обитателей суши, то она равна 544 миллиардам тонн. А в телах обитателей морей и океанов — всего шесть миллиардов тонн, крохи с барского стола, чуть больше процента.
Все это может привести к мнению, что, хотя жизнь на планетах-океанах и возможна, она будет весьма и весьма неприглядной. Биомасса Земли, будь она при прочих равных покрыта одним океаном, составляла бы в пересчете на сухой углерод всего 10 миллиардов тонн — в полсотни раз меньше, чем сейчас.
Однако и здесь рано ставить крест на водных мирах. Дело в том, что уже при давлении в две атмосферы количество СО2, способного раствориться в морской воде, возрастает больше чем в два раза (для температуры в 25 градусов). При атмосферах в четыре-пять раз плотнее земной — а именно таких стоит ожидать на планетах типа TRAPPIST-1e, g и f — углекислого газа в воде может оказаться настолько много, что вода местных океанов начнет сближаться с земным воздухом. Иными словами, водные растения на планетах океанах оказываются в куда лучших условиях, чем на нашей планете. А там, где больше зеленой биомассы, и животные имеют лучшую кормовую базу. То есть в отличие от Земли моря планет-океанов могут быть не пустынями, а оазисами жизни.
Саргассовы планеты
Но что делать, если планета-океан по недоразумению все же имеет земную плотность атмосферы? И здесь все не так плохо. На Земле водоросли стремятся прикрепиться к дну, но там, где для этого нет никаких условий, оказывается, что водные растения вполне могут плавать.
Часть саргассовых водорослей использует наполненные воздухом мешочки (они напоминают виноградины, откуда и португальское слово «саргассы» в названии Саргассова моря) для обеспечения плавучести, и в теории это позволяет брать СО2 из воздуха, а не из воды, где его дефицит. За счет плавучести им проще заниматься фотосинтезом. Правда, такие водоросли хорошо размножаются лишь при довольно высоких температурах воды, и поэтому на Земле им бывает относительно неплохо только в некоторых местах, типа Саргассова моря, где вода весьма теплая. Если планета-океан достаточно тепла, то даже земная плотность атмосферы не является непреодолимым препятствием для морских растений. Они вполне могут брать СО2 из атмосферы, избегая проблем с низким содержанием углекислого газа в теплой воде.
Саргассовы водоросли. Фото: Allen McDavid Stoddard / Фотодом / Shutterstock
Что интересно, плавучие водоросли в том же Саргассовом море порождают целую плавучую экосистему, что-то вроде «плавучей суши». Там живут крабы, для которых плавучести водорослей хватает, чтобы передвигаться по их поверхности так, будто это суша. Теоретически в спокойных районах планеты-океана на плавучих группах морских растений может развиваться довольно «сухопутная» жизнь, хотя самой суши там и не сыщешь.
Check your privilege, землянин
Проблема выявления самых перспективных мест для поисков жизни в том, что пока у нас мало данных, позволяющих выделить среди планет-кандидатов наиболее вероятных носителей жизни. Сама по себе концепция «зоны обитаемости» тут не самый лучший помощник. В ней пригодными для жизни считаются те планеты, что получают от своей звезды достаточное количество энергии, чтобы поддерживать жидкие водоемы хотя бы на части своей поверхности. В Солнечной системе и Марс, и Земля — в зоне обитаемости, но на первом сложной жизни на поверхности как-то незаметно.
В основном потому, что это совсем не такой мир, как Земля, с принципиально иной атмосферой и гидросферой. Линейное представление в стиле «планета-океан — это Земля, но только покрытая водой» может ввести нас в такое же заблуждение, что в начале XX века существовало относительно пригодности Марса к жизни. Реальные океаниды могут резко отличаться от нашей планеты — иметь совсем другую атмосферу, иные механизмы стабилизации климата и даже иные механизмы снабжения морских растений углекислым газом.
Детальное понимание того, как на самом деле устроены водные миры, позволяет заранее понять, какой будет зона обитаемости для них, и тем самым быстрее подойти к детальным наблюдениям таких планет в «Джеймс Уэбб» и другие перспективные крупные телескопы.
Подводя итоги, нельзя не признать, что до самого недавнего времени наши представления о том, какие миры действительно обитаемы, а какие — нет, чересчур страдали от антропоцентризма и геоцентризма. И, как теперь выясняется, от «сушецентризма» — мнения, что если мы сами возникли на суше, то она является самым важным местом в развитии жизни, причем не только на нашей планете, но и у других солнц. Быть может, наблюдения ближайших лет не оставят и камня на камне от этой точки зрения.
Александр Березин
Источник
