Su planetlərində həyatın mümkünlüyü

2024 Müəllif: Seth Attwood | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-16 15:57

Bildiyimiz planetlərin əksəriyyəti kütləsi Yerdən böyükdür, lakin Saturndan azdır. Çox vaxt onların arasında "mini-neptunlar" və "super-yerlər" var - planetimizdən bir neçə dəfə daha böyük olan obyektlər. Son illərin kəşfləri super Yerlərin tərkibinə görə bizimkindən çox fərqli planetlər olduğuna inanmağa getdikcə daha çox əsas verir. Üstəlik, məlum oldu ki, digər sistemlərdə olan yer planetləri, ehtimal ki, Yerdən daha zəngin işıq elementləri və birləşmələri, o cümlədən su ilə fərqlənir. Və bu, onların həyat üçün nə qədər uyğun olduqları ilə maraqlanmaq üçün yaxşı bir səbəbdir.

Keçmiş Yerlə Yer arasındakı yuxarıda qeyd olunan fərqlər onunla izah olunur ki, Kainatdakı bütün ulduzların dörddə üçünün qırmızı cırtdanlar, Günəşdən daha az kütləsi olan işıqlandırıcılar olmasıdır. Müşahidələr göstərir ki, onları əhatə edən planetlər çox vaxt yaşayış zonasında olurlar - yəni onlar öz ulduzlarından Günəşdən Yer kürəsinin enerjisini təxminən eyni şəkildə alırlar. Üstəlik, qırmızı cırtdanların yaşayış zonasında çox vaxt həddindən artıq çox sayda planet var: məsələn, TRAPPIST-1 ulduzunun "Qızıl kilidlər kəməri"ndə bir anda üç planet var.

Və bu çox qəribədir. Qırmızı cırtdanların yaşayış zonası günəş sistemindəki kimi 150-225 milyon deyil, ulduzdan milyonlarla kilometr uzaqlıqda yerləşir. Bu arada bir neçə planet eyni vaxtda öz ulduzundan milyonlarla kilometr məsafədə yarana bilməz - onun protoplanetar diskinin ölçüsü imkan verməyəcək. Bəli, qırmızı cırtdan bizim Günəş kimi sarıdan daha azdır, amma yüz, hətta əlli dəfə belə deyil.

Vəziyyəti astronomların uzaq ulduzlardakı planetləri az-çox dəqiqliklə "çəkməyi" öyrənmələri ilə daha da mürəkkəbləşdirir. Və sonra məlum oldu ki, onların kütləsini və ölçüsünü əlaqələndirsək, belə planetlərin sıxlığının Yerdən iki, hətta üç dəfə az olduğu ortaya çıxır. Bu planetlər öz ulduzlarından milyonlarla kilometr aralıda yaranıbsa, bu, prinsipcə, qeyri-mümkündür. Çünki belə yaxın bir tənzimləmə ilə işıqlandırmanın şüalanması sözün həqiqi mənasında işıq elementlərinin əsas hissəsini xaricə itələməlidir.

Bu, məsələn, Günəş sistemində baş verənlərdir. Gəlin Yerə nəzər salaq: o, yaşayış zonasında əmələ gəlib, lakin onun kütləsindəki su mində birindən çox deyil. Qırmızı cırtdanlarda bir sıra dünyaların sıxlığı iki-üç dəfə azdırsa, oradakı su nə az, nə çox yüzdə 10, hətta daha çoxdur. Yəni Yerdəkindən yüz dəfə çoxdur. Nəticədə, onlar yaşayış zonasından kənarda formalaşmış və yalnız bundan sonra ora köçmüşlər. Ulduz radiasiyasının işıqlandırmaya yaxın olan protoplanetar disk zonalarının işıq elementlərini məhrum etməsi asandır. Ancaq protoplanetar diskin uzaq hissəsindən köçmüş hazır bir planeti yüngül elementlərdən məhrum etmək daha çətindir - oradakı aşağı təbəqələr yuxarı təbəqələr tərəfindən qorunur. Və su itkisi qaçılmaz olaraq olduqca yavaşdır. Yaşayış zonasında tipik bir super-yer, məsələn, günəş sisteminin bütün mövcudluğu ərzində suyunun yarısını belə itirə bilməyəcək.

Beləliklə, Kainatın ən kütləvi ulduzlarında çox vaxt suyun çox olduğu planetlər olur. Bu, çox güman ki, belə planetlərin Yerdən daha çox olması deməkdir. Buna görə də, belə yerlərdə mürəkkəb həyatın yaranması və inkişafı ehtimalının olub olmadığını anlamaq yaxşı olardı.

Daha çox mineral lazımdır

Və burada böyük problemlər başlayır. Günəş sistemində çox miqdarda su olan super-yerlərin yaxın analoqları yoxdur və müşahidə üçün mövcud nümunələr olmadığından, planetoloqların sözün əsl mənasında başlamaq üçün heç bir işi yoxdur. Biz suyun faza diaqramına baxmalı və okean planetlərinin müxtəlif təbəqələri üçün hansı parametrlərin olacağını müəyyən etməliyik.

Suyun vəziyyətinin faza diaqramı. Buz dəyişiklikləri Roma rəqəmləri ilə göstərilir. Yerdəki demək olar ki, bütün buzlar I qrupa aiddir_h, və çox kiçik bir hissə (yuxarı atmosferdə) - I_c… Şəkil: AdmiralHood / wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Məlum olub ki, əgər Yer ölçüsündə bir planetdə buradakıdan 540 dəfə çox su varsa, o zaman onu tamamilə yüz kilometrdən çox dərinlikdə okean əhatə edəcək. Belə okeanların dibində təzyiq o qədər böyük olacaq ki, belə bir fazanın buzları orada formalaşmağa başlayacaq, hətta çox yüksək temperaturda da möhkəm qalır, çünki su böyük təzyiqlə bərk tutulur.

Planet okeanının dibi qalın buz təbəqəsi ilə örtülsə, maye su bərk silikat süxurları ilə təmasdan məhrum olacaq. Belə təmas olmasa, içindəki mineralların, əslində, heç bir yeri olmayacaq. Daha da pisi, karbon dövranı pozulacaq.

Minerallardan başlayaq. Fosfor olmadan həyat - bizə məlum olan formalarda ola bilməz, çünki onsuz nukleotidlər və müvafiq olaraq DNT yoxdur. Kalsium olmadan çətin olacaq - məsələn, sümüklərimiz fosfor və kalsium olmadan edə bilməyən hidroksilapatitdən ibarətdir. Yer üzündə bəzən müəyyən elementlərin mövcudluğu ilə bağlı problemlər yaranır. Məsələn, Avstraliya və Şimali Amerikada bir sıra yerlərdə vulkanik fəaliyyətin qeyri-adi uzun müddət davam etməməsi və bəzi yerlərdə torpaqlarda seleniumun kəskin çatışmazlığı (həyat üçün zəruri olan amin turşularından birinin bir hissəsidir) var idi.. Bundan, inək, qoyun və keçilərdə selen çatışmazlığı olur və bəzən bu, mal-qaranın ölümünə səbəb olur (ABŞ və Kanadada heyvan yeminə selenitin əlavə edilməsi hətta qanunla tənzimlənir).

Bəzi tədqiqatçılar təklif edirlər ki, sadəcə olaraq mineralların mövcudluğu faktoru okean-planetləri həyatın, əgər varsa, son dərəcə nadir olduğu real bioloji səhralara çevirməlidir. Və biz sadəcə olaraq həqiqətən mürəkkəb formalardan danışmırıq.

Qırılmış kondisioner

Mineral çatışmazlıqlara əlavə olaraq, nəzəriyyəçilər planetlərin-okeanların ikinci potensial problemini aşkar etdilər - bəlkə də birincisindən daha vacibdir. Söhbət karbon dövriyyəsindəki nasazlıqlardan gedir. Planetimizdə nisbətən sabit iqlimin mövcudluğunun əsas səbəbidir. Karbon dövrünün prinsipi sadədir: planet çox soyuqlaşdıqda, karbon qazının süxurlar tərəfindən udulması kəskin şəkildə yavaşlayır (belə udma prosesi yalnız isti mühitdə sürətlə gedir). Eyni zamanda, vulkan püskürmələri ilə karbon qazının “təchizatı” da eyni sürətlə gedir. Qazın bağlanması azaldıqda və tədarük azalmadıqda, CO₂ konsentrasiyası təbii olaraq yüksəlir. Planetlər, bildiyiniz kimi, planetlərarası məkanın vakuumundadır və onlar üçün istilik itkisinin yeganə əhəmiyyətli yolu onun infraqırmızı dalğalar şəklində şüalanmasıdır. Karbon qazı planetin səthindən belə radiasiyanı udur və bu səbəbdən atmosfer bir qədər isinir. Bu, okeanların su səthindən su buxarını buxarlayır ki, bu da infraqırmızı şüaları (başqa bir istixana qazı) udur. Nəticədə, planetin qızdırılması prosesində əsas təşəbbüskar kimi çıxış edən CO₂-dir.

Məhz bu mexanizm Yerdəki buzlaqların gec-tez sona çatmasına səbəb olur. O, həmçinin onun həddindən artıq istiləşməsinə imkan vermir: həddindən artıq yüksək temperaturda karbon qazı süxurlarla daha tez bağlanır, bundan sonra yer qabığının plitələrinin tektonikası səbəbindən onlar tədricən mantiyaya batırlar. CO səviyyəsi₂düşür və iqlim sərinləşir.

Bu mexanizmin planetimiz üçün əhəmiyyətini qiymətləndirmək çətindir. Bir anlığa karbon kondisionerinin sıradan çıxmasını təsəvvür edin: deyək ki, vulkanlar püskürməyi dayandırıb və bir vaxtlar köhnə kontinental plitələrlə oraya enən Yerin bağırsaqlarından karbon qazını daha çatdırmır. İlk buzlaşma sözün əsl mənasında əbədi olacaq, çünki planetdə nə qədər çox buz varsa, o, kosmosa daha çox günəş radiasiyasını əks etdirir. Və CO-nun yeni bir hissəsi₂ planeti dondura bilməyəcək: onun gələcək yeri olmayacaq.

Bu, nəzəri olaraq planetlərdə-okeanlarda məhz belə olmalıdır. Hətta bəzən vulkanik fəaliyyət planet okeanının dibindəki ekzotik buzun qabığını yarsa da, bunun yaxşı tərəfi azdır. Həqiqətən də, dəniz dünyasının səthində, sadəcə olaraq, artıq karbon qazını bağlaya biləcək süxurlar yoxdur. Yəni onun nəzarətsiz yığılması başlaya bilər və müvafiq olaraq planetin həddindən artıq istiləşməsi.

Bənzər bir şey - doğrudur, heç bir planet okeanı olmadan - Venerada baş verdi. Bu planetdə plitələrin tektonikası da yoxdur, baxmayaraq ki, bunun niyə baş verdiyi həqiqətən məlum deyil. Buna görə də, oradakı vulkan püskürmələri, bəzən yer qabığından keçərək atmosferə çoxlu karbon qazı salır, lakin səth onu bağlaya bilmir: kontinental plitələr batmır və yeniləri qalxmır. Buna görə də, mövcud plitələrin səthi artıq bütün CO-nu bağlamışdır₂, daha çox uda bilən və edə bilməyən və Venerada o qədər istidir ki, qurğuşun orada həmişə maye olaraq qalacaq. Və bu, modelləşdirməyə görə, Yer atmosferi və karbon dövranı ilə bu planetin Yerin yaşayış üçün yararlı əkiz olacağına baxmayaraq.

Kondisionersiz həyat varmı?

"Yer şovinizmini" tənqid edənlər (həyatın yalnız "Yerin nüsxələrində, ciddi yer şəraiti olan planetlərdə mümkün olması mövqeyi)" dərhal sual verdilər: nə üçün əslində hamı mineralların bir çuxurdan keçə bilməyəcəyinə qərar verdi. ekzotik buz təbəqəsi? Qapaq isti bir şeyin üzərində nə qədər güclü və keçilməz olarsa, onun altında bir o qədər çox enerji toplanır, bu da qopmağa meyllidir. Budur, eyni Venera - plitələrin tektonikası görünmür və karbon qazı dərinliklərdən o qədər qaçdı ki, sözün hərfi mənasında ondan həyat yoxdur. Nəticədə, eyni şey mineralların yuxarıya doğru çıxarılması ilə mümkündür - vulkan püskürmələri zamanı bərk süxurlar tamamilə yuxarıya doğru düşür.

Buna baxmayaraq, başqa bir problem qalır - karbon dövrünün "sınıq kondisioneri". Okean planeti onsuz yaşamaq olarmı?

Günəş sistemində karbon qazının ümumiyyətlə iqlimin əsas tənzimləyicisi rolunu oynamadığı bir çox cisim var. Budur, deyək ki, Titan, Saturnun böyük peyki.

Titan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nantes Universiteti, Virciniya Pasek, Arizona Universiteti

Bədən Yerin kütləsi ilə müqayisədə əhəmiyyətsizdir. Bununla belə, o, Günəşdən çox uzaqda əmələ gəlib və işığın şüalanması ondan yüngül elementləri, o cümlədən azotu “buxarlamırdı”. Bu, Titana demək olar ki, təmiz azot atmosferi verir, planetimizdə hökmranlıq edən eyni qaz. Lakin onun azot atmosferinin sıxlığı bizimkindən dörd dəfə çoxdur - cazibə qüvvəsi ilə yeddi dəfə zəifdir.

Titanın iqliminə ilk baxışda onun son dərəcə sabit olduğuna dair davamlı bir hiss var, baxmayaraq ki, onun birbaşa formasında "karbon" kondisioneri yoxdur. Titanın qütbü ilə ekvatoru arasındakı temperatur fərqinin cəmi üç dərəcə olduğunu söyləmək kifayətdir. Vəziyyət Yer kürəsində də belə olsaydı, planet daha bərabər məskunlaşar və ümumiyyətlə həyat üçün daha əlverişli olardı.

Üstəlik, bir sıra elmi qrupların hesablamaları göstərdi ki, atmosferin sıxlığı Yerdən beş dəfə, yəni Titandan dörddə bir dəfə yüksəkdir, hətta azotun istixana effekti belə temperatur dalğalanmalarının azalması üçün kifayət qədər kifayətdir. demək olar ki, sıfıra. Belə bir planetdə gecə və gündüz, həm ekvatorda, həm də qütbdə temperatur həmişə eyni olardı. Yer üzündəki həyat yalnız belə bir şeyi xəyal edə bilər.

Planet-okeanlar öz sıxlığına görə Yerlə deyil (5,51 q/sm³) Titan səviyyəsindədir (1,88 q/sm³). Tutaq ki, bizdən 40 işıq ili uzaqda yerləşən TRAPPIST-1 yaşayış zonasındakı üç planetin sıxlığı 1,71 ilə 2,18 q/sm³ arasındadır. Başqa sözlə, çox güman ki, belə planetlər yalnız azot hesabına sabit bir iqlimə sahib olmaq üçün kifayət qədər azot atmosferinin sıxlığına malikdir. Karbon qazı onları qırmızı-isti Veneraya çevirə bilməz, çünki həqiqətən böyük bir su kütləsi heç bir plitə tektonikası olmadan da çoxlu karbon qazını bağlaya bilər (karbon qazı su tərəfindən udulur və təzyiq nə qədər yüksək olarsa, onu bir o qədər çox saxlaya bilər.).

Dərin dəniz səhraları

Hipotetik yerdənkənar bakteriyalar və arxelərlə hər şey sadə görünür: onlar çox çətin şəraitdə yaşaya bilirlər və bunun üçün onlara çoxlu kimyəvi elementlər ümumiyyətlə lazım deyil. Bitkilər və onların hesabına yaşayan yüksək mütəşəkkil həyat ilə daha çətindir.

Beləliklə, okean planetlərinin sabit iqlimi ola bilər - çox güman ki, Yerdən daha sabitdir. Suda həll olunan nəzərəçarpacaq miqdarda mineralların olması da mümkündür. Bununla belə, orada həyat heç də Shrovetide deyil.

Gəlin Yerə nəzər salaq. Son milyonlarla il istisna olmaqla, onun ərazisi olduqca yaşıldır, demək olar ki, qəhvəyi və ya sarı səhra ləkələrindən məhrumdur. Ancaq bəzi dar sahil zonaları istisna olmaqla, okean heç yaşıl görünmür. Niyə belədir?

İş ondadır ki, planetimizdə okean bioloji səhradır. Həyat karbon qazını tələb edir: o, bitki biokütləsini "tikir" və yalnız ondan heyvan biokütləsi qidalana bilər. Əgər ətrafımızdakı havada CO varsa₂ indiki kimi 400 ppm-dən çox, bitki örtüyü çiçəklənir. Əgər milyonda 150 hissədən az olsaydı, bütün ağaclar öləcəkdi (və bu bir milyard ildən sonra baş verə bilər). 10 hissədən az CO ilə₂ milyonda bütün bitkilər ümumilikdə öləcək və onlarla birlikdə bütün həqiqətən mürəkkəb həyat formaları.

İlk baxışdan bu, dənizin həyat üçün əsl genişlik olduğunu ifadə etməlidir. Həqiqətən də, yerin okeanlarında atmosferdən yüz dəfə çox karbon qazı var. Buna görə də bitkilər üçün çoxlu tikinti materialı olmalıdır.

Əslində, həqiqətdən başqa heç nə yoxdur. Yer okeanlarında su 1,35 kvintilyon (milyard milyard) ton, atmosfer isə beş katrilyon (milyon milyard) tondan bir qədər çoxdur. Yəni bir ton suda nəzərəçarpacaq dərəcədə az CO var.₂tondan çox hava. Yer okeanlarındakı su bitkiləri demək olar ki, həmişə daha az CO-ya malikdir₂ yerüstü olanlara nisbətən onların ixtiyarındadır.

Vəziyyəti daha da pisləşdirmək üçün, su bitkiləri yalnız isti suda yaxşı bir metabolizm sürətinə malikdir. Yəni, CO₂ ən azı ona görə ki, onun suda həll olması temperaturun artması ilə azalır. Buna görə də, yosunlar - quru bitkiləri ilə müqayisədə - daimi böyük CO çatışmazlığı şəraitində mövcuddur.₂.

Məhz buna görə də alimlərin yerüstü orqanizmlərin biokütləsini hesablamaq cəhdləri göstərir ki, planetin üçdə ikisini tutan dəniz ümumi biokütləyə əhəmiyyətsiz töhfə verir. Hər hansı canlı məxluqun quru kütləsində əsas material olan karbonun ümumi kütləsini götürsək, bu, 544 milyard tona bərabərdir. Dənizlərin və okeanların sakinlərinin cəsədlərində - cəmi altı milyard ton, usta masasından qırıntılar, faizdən bir qədər çox.

Bütün bunlar belə bir fikrə gətirib çıxara bilər ki, planet-okeanlarda həyat mümkün olsa da, çox, çox çirkin olacaq. Yerin biokütləsi, əgər onu bir okean əhatə etsəydi, bütün başqa şeylər bərabər olsaydı, quru karbon baxımından cəmi 10 milyard ton olardı - indikindən əlli dəfə az.

Bununla belə, burada da su dünyalarına son qoymaq tezdir. Fakt budur ki, artıq iki atmosfer təzyiqində CO miqdarı₂, dəniz suyunda həll edə bilən, iki dəfədən çox (25 dərəcə istilik üçün). Atmosferlərin Yerdən 4-5 dəfə sıxlığı ilə - və TRAPPIST-1e, g və f kimi planetlərdə gözlədiyiniz budur - suda o qədər çox karbon qazı ola bilər ki, yerli okeanların suyu yaxınlaşmağa başlayacaq. yerin havası. Başqa sözlə desək, planetlərdə və okeanlarda yaşayan su bitkiləri planetimizdəkindən daha yaxşı şəraitdə olurlar. Yaşıl biokütlənin daha çox olduğu və heyvanların daha yaxşı qida bazası olduğu yerdə. Yəni Yerdən fərqli olaraq, planetlərin-okeanların dənizləri səhra yox, həyat oazisləri ola bilər.

Sarqasso planetləri

Bəs okean planeti, anlaşılmazlıq səbəbindən hələ də Yer atmosferinin sıxlığına malikdirsə, nə etməli? Və burada hər şey o qədər də pis deyil. Yer üzündə yosunlar dibinə yapışmağa meyllidirlər, lakin bunun üçün şərait olmayan yerdə su bitkilərinin üzə biləcəyi ortaya çıxır.

Sargassum yosunlarının bəziləri üzmə qabiliyyətini təmin etmək üçün hava ilə doldurulmuş kisələrdən (üzümlərə bənzəyir, buna görə də Sarqasso dənizinin adında portuqalca “sargasso” sözündəndir) istifadə edir və nəzəri olaraq bu, CO2 götürməyə imkan verir.₂ az olan yerdə sudan deyil, havadan. Üzmə qabiliyyətinə görə onlar üçün fotosintez etmək daha asandır. Doğrudur, bu cür yosunlar yalnız kifayət qədər yüksək su temperaturunda yaxşı çoxalır və buna görə də Yer kürəsində yalnız bəzi yerlərdə, məsələn, suyun çox isti olduğu Sarqasso dənizində nisbətən yaxşıdır. Okean planeti kifayət qədər istidirsə, o zaman hətta yerin atmosfer sıxlığı da dəniz bitkiləri üçün keçilməz bir maneə deyil. Onlar CO qəbul edə bilərlər₂ atmosferdən, isti suda aşağı karbon qazı problemlərindən qaçın.

Sarqasso yosunları. Şəkil: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Maraqlıdır ki, eyni Sarqasso dənizində üzən yosunlar bütöv bir üzən ekosistemi, "üzən torpaq" kimi bir şey yaradır. Orada xərçənglər yaşayır, bunun üçün yosunların üzmə qabiliyyəti onların səthində quru kimi hərəkət etmək üçün kifayətdir. Nəzəri olaraq, okean planetinin sakit ərazilərində, dəniz bitkilərinin üzən qrupları kifayət qədər "quru" həyatı inkişaf etdirə bilər, baxmayaraq ki, orada torpaq tapa bilməzsiniz.

İmtiyazınızı yoxlayın, yer üzündə

Həyat axtarışı üçün ən perspektivli yerlərin müəyyən edilməsi problemi ondan ibarətdir ki, bu günə qədər namizəd planetlər arasında həyatın ən çox ehtimal olunan daşıyıcılarını ayırmağa imkan verən az məlumatımız var. Özü də "yaşayış zonası" anlayışı burada ən yaxşı köməkçi deyil. Burada o planetlər həyat üçün uyğun hesab edilir ki, onlar öz ulduzlarından ən azı səthinin bir hissəsində maye rezervuarlarını dəstəkləmək üçün kifayət qədər enerji alırlar. Günəş sistemində həm Mars, həm də Yer yaşayış zonasındadır, lakin səthdə ilk mürəkkəb həyat birtəhər hiss olunmur.

Əsasən ona görə ki, bu, Yerlə eyni dünya deyil, atmosferi və hidrosferi tamamilə fərqlidir. “Okean planeti Yerdir, ancaq su ilə örtülüdür” üslubunda xətti təsvir bizi 20-ci əsrin əvvəllərində Marsın həyat üçün yararlı olması ilə bağlı mövcud olan eyni yanılmaya apara bilər. Həqiqi okeanidlər planetimizdən kəskin şəkildə fərqlənə bilər - onlar tamamilə fərqli atmosferə, fərqli iqlim sabitləşdirmə mexanizmlərinə və hətta dəniz bitkilərini karbon qazı ilə təmin etmək üçün fərqli mexanizmlərə malikdirlər.

Su aləmlərinin əslində necə işlədiyini ətraflı başa düşmək bizə yaşayış zonasının onlar üçün nə olacağını əvvəlcədən anlamağa imkan verir və bununla da Ceyms Uebbdə və digər perspektivli böyük teleskoplarda belə planetlərin ətraflı müşahidələrinə tez bir zamanda yaxınlaşmağa imkan verir.

Yekun olaraq etiraf etmək olmaz ki, son vaxtlara qədər hansı aləmlərin həqiqətən məskunlaşdığı və hansının olmadığı haqqında fikirlərimiz antroposentrizm və geosentrizmdən çox əziyyət çəkirdi. İndi göründüyü kimi, "sushsentrizm" dən - əgər biz özümüz quruda yaranmışıqsa, deməli bu, təkcə planetimizdə deyil, həm də digər günəşlərdə həyatın inkişafında ən vacib yerdir. Ola bilsin ki, növbəti illərin müşahidələri bu baxımdan bir daş buraxmayacaq.