Нетривиальности поиска жизни в космосе. Ч.2. Термодинамика, стабилизация и геохимия
Это вторая часть двучастного цикла, первая часть здесь. Цикл давний - его первая публикация относится к 2016 году. В этой части я продолжаю изложение идей опубликованной сайтом ЭЛЕМЕНТЫ.ру главы из книги американского научного журналиста Ли Биллингса 5 000 000 000 лет одиночества; первая часть изложения находится здесь. Тут изложен важный подход к поиску внеземной жизни
Биомаркеры и атмосферные обманки
Предложения по поиску химических признаков жизни на других планетах - биомаркеров - впервые появились летом 1965 года в двух публикациях в журнале Nature с интервалом в один месяц. В обеих статьях обсуждался, в первую очередь, поиск жизни на Марсе. Автором первой статьи был Джошуа Ледерберг, нобелевский лауреат по химии. В этой статье Ледерберг сформулировал несколько основных принципов, среди которых была идея, что жизнь может быть обнаружена по косвенным термодинамическим эффектам, связанным с воздействием биосферы на планету. Ледерберг отметил, что метаболические процессы, независимо от их биохимии, должны приводить к сильному нарушению термодинамического равновесия на планете. Биохимические реакции, приводящие к поглощению энергии и консервации ее в биомассе, создадут на планете глобальный химический дисбаланс. Он показал, что для обнаружения жизни следует искать биомаркеры - химически нестабильные соединения, которые не должны сосуществовать в среде с сильным окислителем, фигурально выражаясь, «термодинамическое чудо», наподобие газеты, спокойно лежащей в пылающем костре.
Во второй статье британский ученый Джеймс Лавлок более четко сформулировал основной критерий для констатации наличия жизни. Лавлок предложил изучать нарушения термодинамического равновесия атмосферы планет. В частности, следует искать присутствие в атмосфере планеты соединений, которые не могут долгое время сосуществовать вместе. В качестве примера Лавлок привел одновременное существование в атмосфере Земли кислорода и метана.
В атмосфере Земли, которая содержит около 20% кислорода, метан каким-то чудом сохраняется в концентрации чуть менее двух частей на миллион, что значительно превышает равновесную концентрацию при данных температурах. Единственным объяснением этого затяжного термодинамического дисбаланса является предположение, что метан в атмосфере постоянно пополняется.
Почти весь метан, поступающий в атмосферу, является продуктом жизнедеятельности древних микроорганизмов, существующих на Земле еще с архейской эры, - анаэробных метаногенов, хотя незначительная часть метана поступает в атмосферу небиологическим путем из гидротермальных источников на океанском дне. Но даже без метана обилие кислорода в атмосфере Земли само по себе является состоянием, очень далеким от равновесного, потому что кислород, будучи сильным окислителем, предпочитает связываться с горными породами и минералами, а не задерживаться в атмосфере в свободном состоянии. Он явно должен иметь источник пополнения. Кислород нашего мира, в первую очередь, производится фотосинтезирующими бактериями и растениями, хотя, как и в случае с метаном, небольшие количества кислорода могут попадать в атмосферу и небиологическим путем. Однако поскольку для кислорода и метана можно найти абиотический путь генерации, существование каждого из них по отдельности нельзя рассматривать в качестве надежного биомаркера. Но если они наблюдаются вместе в атмосфере какой-нибудь планеты, то их присутствие будет не менее убедительным доказательством существования внеземной жизни, чем обнаружение искусственных радиосигналов в программе SETI или приземление летающей тарелки на лужайке перед Белым домом.
Однако поиск планет, с одновременным присутствием кислорода и метана в атмосфере, требует участия как минимум двух разных телескопов. Чем длиннее длина волны излучения, тем больше должно быть зеркало телескопа, это простое правило оптики. И если оптические зеркала измеряются в метрах, то скажем для радио телескопов это уже сотни метров. Характерные длины волн поглощения у метана и кислорода отличаются примерно на порядок (у кислорода в видимом спектре и ближнем инфракрасном диапазоне), а метан как парниковый газ поглощает в дальнем инфракрасном.
Само по себе наличие свободного кислорода особенно на границах "зоны жизни" конечно дает надежду, но почти ничего не доказывает.
На ближней к звезде границе зоны жизни ("модель Венера") в период потери воды из-за выхода границы термобарической ловушки воды (см первую часть) выше слоя озона будет наблюдаться большое количество свободного кислорода, который образовался в результате разложения воды ультрафиолетом; такая богатая кислородом атмосфера может просуществовать сотню миллионов лет.
С другой стороны на дальней границе зоны на небольшой холодной планете ("модель Марс") в период потери атмосферы тоже может наблюдаться некоторое количество кислорода в верхних слоях атмосферы - без всякого наличия жизни.
Т.е. сам по себе кислород это надежда, но не точный маркер.
С другой стороны на дальней границе зоны на небольшой холодной планете ("модель Марс") в период потери атмосферы тоже может наблюдаться некоторое количество кислорода в верхних слоях атмосферы - без всякого наличия жизни.
Т.е. сам по себе кислород это надежда, но не точный маркер.
С другой стороны, на Земле достаточно долго, на протяжении архея в атмосфере было много метана, произведенного метаногенами, но почти не было кислорода. Т.е. жизнь была и ее было много, но концентрация кислорода в атмосфере была очень низкой, и так продолжалось примерно полтора миллиарда лет.
Тогда для внешнего наблюдателя Земли главным биомаркером мог бы быть метан - его было достаточно много. Но увы, - метан может быть в достаточно больших количествах и при этом абиотического происхождения
Т.е. наличие этих газов порознь дает надежду, но не является доказательством жизни.
Геохимия, Гея и загадки древней Земли
Одна из центральных проблем существования жизни на Земле состоит в том, как именно Земля ухитрялась сохранять в относительно узком диапазоне комфортную температуру поверхности в течение миллиардов лет, несмотря на то что светимость Солнца неуклонно увеличивалась все это время. В эпоху образования нашей планеты Солнце должно было излучать на 30% меньше света, чем сегодня, - это более чем достаточно, чтобы полностью заморозить земную поверхность на всю первую половину ее истории. И все же ученые нашли многочисленные свидетельства присутствия жидкой воды на Земле на протяжении всего этого времени.
Тут мы фактически тоже перед проблемой поиска внеземной жизни - чтобы научиться ее искать, следует понять, что по тем методикам поиска, которые применяются сейчас, на Земле не могло быть жизни, потому что она обязана была замерзнуть по причине тусклости древнего Солнца. Планетологам и астробиологам проблема как это ни странно была не известна вплоть до 1972 года, когда Карл Саган и Джордж Маллен опубликовали соответствующую статью.
Джеймс Лавлок предположил, что Земля благополучно пережила эпоху «тусклого Солнца» благодаря мощной атмосфере, насыщенной парниковыми газами, в первую очередь углекислым газом. Но по мере того, как Солнце разогревалось, фотосинтезирующие организмы связывали излишки углекислого газа, стабилизируя таким образом температуру Земли. С его точки зрения жизнь на Земле выступала в роли регулирующего механизма, бессознательно удерживая Землю в границах зоны жизни, эволюционируя вместе с изменением природных условий и одновременно создавая эти самые природные условия. Обратная связь между биосферой и планетой была настолько сильной, что смогла обеспечить стабильность на протяжении гигантского периода времени. Можно сказать, что живая и неживая материя образовали единый планетарный организм. Харт назвал союз живой и неживой материи на древней Земле словом «Гея», в честь матери-земли из древнегреческой мифологии.
Между прочим, тут изложен еще один подход к проблеме наличия жизни: жизнь выступает мощным механизмом гомеостаза планеты, это показывают даже очень простые модели, такие, как придуманный Лавлок и Уотсоном изящный "маргаритковый мир".
Хотя возможны и абиотические стабилизаторы.
Например, до возникновения жизни углеродный цикл на Земле выглядел так.
Неорганический углеродный цикл начинается с выброса вулканами в атмосферу углекислого газа, который, растворяясь в дождевой воде, выпадает в виде раствора угольной кислоты. Попав на землю, угольная кислота начинает разрушать силикатные горные породы, освобождая богатые углеродом минералы, которые накапливаются в грунтовых водах, ручьях и реках. Углеродные соединения вымываются из горных пород и, в конце концов, оседают на дне океанов, преимущественно в виде известняка. Затем тектонические процессы опускают известняковые слои глубоко в мантию Земли, где углерод покидает горные породы в составе углекислого газа. После этого углекислый газ выбрасывается на поверхность вулканами, и цикл повторяется.
Тут мы приходим к проблеме, которую не может разрешить гипотеза Геи, потому что кто-то должен был застабилизировать условия и вывести Землю из состояния "Земля-снежок" еще до возникновения жизни. Чтобы запустить "модель Геи", самоподдерживающейся жизни, должен был существовать механизм насыщения атмосферы углекислым газом в ситуации замерзшей Земли и еще до того, как биосфера стала достаточно мощной, чтобы самой себя защитить.
Проблему разрешила идея Кастинга. Если Земля полностью замерзла, углекислый газ, который выбрасывают вулканы, уже не может связаться с силикатами, просто потому, что горные породы под слоем льда и снега стали недоступны для дождей, да и дождей практически не стало. Но недра ведь не остыли и вулканы все равно будут выбрасывать углекислый газ в атмосферу. И он начнет там накапливаться, коль скоро ему не с чем теперь связываться - силикатно-карбонатный цикл перестал работать.
И накопление углекислого газа в атмосфере запустит механизм постепенного разогрева, на экваторе начнут таять льды, в атмосфере появится больше пара и планета начнет немножко меньше отражать свет - а это механизм с положительной обратной связью. И планета с активной вулканической деятельностью сама себя подогреет и создаст условия для жизни - вода плюс куча углекислоты в атмосфере - это условия для фотосинтезирующей жизни.
Теперь стали понятны различия судеб трех каменных планет: Венеры, Земли и Марса. Все три планеты начали свою эволюцию с одинаковых начальных условий: умеренной температуры и наличия на поверхности жидкой воды, но только Земля сумела сохранить свой карбонатно-силикатный термостат. Венера утратила свой термостат, когда слишком нагрелась и потеряла жидкую воду, поскольку вода является необходимым звеном для возвращения углекислого газа из атмосферы обратно на поверхность. Теперь ничто не мешало высокой концентрации парниковых газов: углекислого газа и водяного пара - в атмосфере. Идальше с увеличением светимости Солнца Венера только все сильней разогревалась.
Марс потерял свой термостат не потому, что сформировался слишком далеко от Солнца, а потому что был слишком маленьким. Он быстро исчерпал резервы внутреннего тепла и не смог поддерживать на должном уровне вулканическую активность, в результате которой в атмосферу выбрасывается углекислый газ. После этого неподкачиваемая вулканами атмосфера из-за малой массы планеты быстро улетучилась в космос. Марсианская вода, когда-то образовывавшая целые моря и реки, частично испарилась, а частично замерзла. Будь Марс немного больше, возможно, сегодня он был бы обитаем.
Тут мне хочется сделать парочку замечаний.
Тут мне хочется сделать парочку замечаний.
Конечно, бесспорно, очень существенно, что мы начали понимать важность геохимии планет для возникновения на них жизни и длительной стабилизации условий, необходимых для развития жизни. Прекрасна и идея о том, что уже наличная биосфера сама является мощным стабилизирующим фактором.
Однако популяризаторы всегда несколько упрощают, например совсем из рассмотрения выпала роль магнитного поля, а оно тоже сыграло важную стабилизирующую роль.
Кроме того, идея термодинамически неравновесной атмосферы абсолютно фундаментальна и не сводится только к метан-кислородному неравновесию.
Более того, в Солнечной системе помимо Земли есть еще один важный пример принципиально неравновесной атмосферы- это атмосфера Титана, единственного объекта в Солнечной системе, который на фотографиях выглядит похожим на Землю.
Холмы реки озера, дожди...
И при этом неравновесное распределение по высоте водорода и ацетилена - наводит таки на размышления. Это именно то, о чем писал Лавлок - термодинамически неравновесная атмосфера,
НО все, что тут изложено, я рассказал ради одной мысли: поиск внеземной жизни далеко не может быть сведен к поискам каменистых планет в "зоне воды".
И как всегда реальность намного сложнее - и интереснее! того пресного бульончика, который нам подсовывает большинство интернет-изданий