347
Чи маємо ми планетарну упередженість, коли справа доходить до розуміння того, де може продовжуватися життя? Цілком природно, що ми це робимо. Зрештою, ми на одному. Однак планети можуть не бути необхідними для життя, і пара вчених із Шотландії та США запрошують нас переглянути це поняття.
Ми зосереджуємося на планетах як середовищах існування життя, оскільки вони відповідають умовам, необхідним для існування життя. Рідка вода, правильна температура і тиск, щоб підтримувати її в рідкому стані, і захист від шкідливого випромінювання є основними вимогами для фотосинтетичного життя.
Але що, якщо інші середовища, навіть ті, що підтримуються самими організмами, також можуть забезпечити ці потреби? У новому дослідженні, опублікованому в журналі Astrobiology , дослідники зазначають, що екосистеми можуть створювати та підтримувати умови, необхідні для власного виживання, не потребуючи планети.
Стаття називається «Самопідтримувані середовища проживання в позаземних середовищах». Авторами є Робін Вордсворт, професор Землі та планетарних наук у Гарварді, і Чарльз Кокелл, професор астробіології Школи фізики та астрономії Единбурзького університету.
«Стандартні визначення придатності для життя припускають, що життя вимагає наявності планетарних гравітаційних колодязів для стабілізації рідкої води та регулювання температури поверхні», — пишуть вони. «Тут оцінюються наслідки послаблення цього припущення».
Вордсворт і Кокелл пишуть, що біологічно створені бар’єри та структури можуть імітувати планетарні умови, які дозволяють жити без планети. Вони можуть пропускати світло для фотосинтезу, блокуючи ультрафіолетове світло. Вони також можуть запобігти втраті летючих речовин у вакуумі та підтримувати температуру й тиск, необхідні для того, щоб вода залишалася в рідкому стані.
«Біологічно створені бар’єри, здатні пропускати видиме випромінювання, блокувати ультрафіолет і підтримувати градієнти температури 25-100 K і різницю тиску 10 кПа проти вакууму космосу, можуть створити придатні для життя умови від 1 до 5 астрономічних одиниць у Сонячній системі», — вони заявили. писати.
«Щоб зрозуміти обмеження життя за межами Землі, ми можемо почати з огляду того, чому наша рідна планета взагалі є хорошим середовищем існування», — пишуть автори.
Земля не тільки забезпечує рідку воду та захист від радіації. Це ціла система з шарами взаємодіючої складності. Поверхня планети відкрита для легкодоступного джерела енергії від Сонця, яке рухає всю біосферу. Елементи, які ми вважаємо необхідними для життя, доступні, хоча іноді обмежені: вуглець, водень, азот, кисень, фосфор і сірка. Вони обертаються біосферою через вулканізм і тектоніку плит і знову стають доступними.
Земля також окислюється в атмосфері та на поверхні та відновлюється в інших регіонах, таких як відкладення та глибокі надра. Це дозволяє «використовувати окисно-відновні градієнти для метаболічних цілей», пояснюють автори. Таких умов більше немає. Астробіологія націлена на замерзлі супутники Сонячної системи через їх теплі солоні океани. Але чи є у них цикли поживних речовин?
Маломасивні об’єкти в зовнішній частині Сонячної системи мають достатню площу поверхні, але енергія Сонця слабка. Вони навряд чи зможуть утримати свою атмосферу, тому правильний тиск і температура рідкої води недоступні. Вони також незахищені від УФ-випромінювання та космічних променів.
«Щоб зберегтися за межами Землі, — пишуть автори, — будь-який живий організм повинен модифікувати або адаптуватися до свого середовища настільки, щоб подолати ці виклики».
Автори пишуть, що біологічні матеріали тут, на Землі, вже можуть це робити. Цілком правдоподібно, що екосистеми можуть створити умови для власного виживання, і якщо фотосинтетичне життя може зробити це у вакуумі космосу, то ми теж зможемо. Це було б великою перевагою для дослідження космосу людиною.
Вона починається з води, і коли мова йде про рідку воду, вчені посилаються на її потрійну точку. Потрійна точка — це термодинамічна точка відліку, яка пояснює фазові переходи та те, як вода поводиться під різними тисками та температурами.
«Мінімальний тиск, необхідний для підтримки рідкої води, — це потрійна точка: 611,6 Па при 0?C (273 К)», — пояснюють дослідники. Це число зростає до кількох кПа в діапазоні від 15 до 25 за Цельсієм.
Ціанобактерії можуть рости з тиском у просторі повітря 10 кПа, за умови, що світло, температура та pH знаходяться в правильних діапазонах. Питання в тому, чи будь-які живі істоти, про яких ми знаємо, створюють стіни, які можуть підтримувати 10 кПа?
«Внутрішні перепади тиску порядку 10 кПа легко підтримуються біологічними матеріалами, і насправді вони звичайні для макроскопічних організмів на Землі», — пишуть автори. «Підвищення артеріального тиску від голови до ніг людини зростом 1,5 м становить приблизно 15 кПа».
Морські водорості також можуть витримувати внутрішній тиск у бульбочках 15-25 кПа, вивільняючи CO2 під час фотосинтезу. Температура є наступним критерієм, коли мова йде про рідку воду. Земля підтримує свою температуру через атмосферний парниковий ефект. Але, наприклад, маленькі скелясті тіла навряд чи повторять це.
«Отже, біологічно створене середовище існування має досягти такого ж ефекту за допомогою фізики твердого тіла», — пишуть автори.
Вхідна та вихідна енергія повинні бути збалансовані, і деякі організми на Землі еволюціонували, щоб підтримувати цей баланс.
«Сахарські сріблясті мурахи, наприклад, розвинули здатність підвищувати як свою поверхневу відбивну здатність у ближньому інфрачервоному діапазоні, так і теплову випромінюваність, що дозволяє їм виживати при температурі навколишнього середовища вище, ніж у всіх інших відомих членистоногих», — пишуть Вордсворт і Кокелл. Це дозволяє їм виживати, добуваючи їжу в денну спеку, коли хижакам доводиться триматися подалі від сонця.
Люди створили кремнеземні аерогелі з надзвичайно низькою щільністю та теплопровідністю. Хоча немає прямих біологічних еквівалентів, автори пишуть, що «в природі існує багато організмів, які виробляють складні структури кремнезему».
Фактично, деякі діатомові водорості можуть виробляти кремнеземні структури, маніпулюючи частинками кремнезему, меншими за ті, що використовуються в наших виробничих процесах. Аерогелі, виготовлені з органічних матеріалів, мають схожі характеристики зі штучними.
«Враховуючи це, цілком імовірно, що високоізоляційні матеріали можуть бути вироблені штучно з біогенної сировини або навіть безпосередньо живими організмами», – пишуть автори.
Автори підрахували, що ці типи структур можуть підтримувати потрібну температуру та тиск для підтримки рідкої води.
«Як видно, підтримувати внутрішню температуру на рівні 288 K можливо для широкого діапазону орбітальних відстаней», — пояснюють вони. «Цей розрахунок передбачає вільне плаваюче середовище існування, але подібні міркування застосовуються до місць існування на поверхні астероїда , місяця або планети».
Іншою проблемою є нестабільна втрата. Середовище існування, яке не може утримувати свою атмосферу, не може підтримувати температуру та тиск, необхідні для рідкої води.
«Усі матеріали мають певну проникність для атомів і малих молекул, і протягом тривалого періоду часу космічний вакуум є по суті постійним поглиначем для летких видів», — пояснюють автори.
Це можна вирішити тими ж бар’єрами, які підтримують тиск і температуру. «Стримування виходу летких речовин було б найлегше досягнуто тією ж частиною стіни середовища існування, яка відповідає за підтримку різниці тиску, необхідної для стабілізації рідкої води», — пишуть автори.
Автори також розглядають вплив УФ-випромінювання. Радіація може бути смертельною, але на Землі є приклади життя, які еволюціонували, щоб зрозуміти це.
«Однак його легко блокують такі сполуки, як аморфний кремнезем і відновлене залізо, які послаблюють ультрафіолетове випромінювання в окремнених біоплівках і строматолітах сьогодні, не блокуючи видиме випромінювання, необхідне для фотосинтезу», — пишуть вони.
Доступність сонячної енергії для фотосинтезу, ймовірно, не є великою перешкодою в багатьох частинах Сонячної системи. Автори зазначають, що арктичні водорості ростуть під льодом при надзвичайно слабкому освітленні.
Потрібний певний тип циклу поживних речовин, як на Землі. «У довгостроковій перспективі додатковим фактором є здатність екосистеми замкнутого циклу переробляти відходи, такі як непокірна органічна речовина, і підтримувати внутрішні окисно-відновні градієнти», — пояснюють автори.
Екстремальна спека в надрах Землі справляє це, але без цих екстремальних ситуацій «повністю замкнута екосистема в космосі вимагала б певної внутрішньої компартменталізації для встановлення хімічних градієнтів і спеціальної біоти, здатної розщеплювати непокірні відходи», пишуть вони.
У своїй статті автори розглядають інші фактори, такі як розмір клітини та фактори, які обмежують розмір одноклітинних організмів і більших, складніших організмів. Вони дійшли висновку, що не можна виключати існування повністю автономних середовищ існування.
«Тим не менш, повністю автономна система, здатна до регенерації та росту, очевидно, не заборонена жодними фізичними чи хімічними обмеженнями, і тому її цікаво розглянути трохи далі», – пишуть вони.
Це можливо, доки система може регенерувати свої стінки. Автори зазначають, що існуюче фотосинтетичне життя вже може виробляти аморфний кремнезем і органічні полімери. Ці матеріали можуть служити стінами і принаймні показувати, що існує шлях, за яким організми можуть еволюціонувати, створюючи стіни середовища існування.
«Більш автономне середовище існування могло б вирощувати власний матеріал стінок, так само як клітини рослин відновлюють власні стінки в мікрометровому масштабі», — пояснюють вони.
Ми схильні думати, що якщо життя існує деінде, воно йде тим самим еволюційним шляхом, що й тут, на Землі, але це може бути неправдою. «Оскільки еволюція життя в інших місцях могла йти дуже різними шляхами, ніж на Землі, живі середовища також могли існувати за межами традиційного середовища проживання навколо інших зірок, де вони мали б незвичайні, але потенційно помітні біосигнатури», – пишуть автори.
Автори запитують: «Чи можуть біологічні структури, які ми тут обговорюємо, еволюціонувати природним шляхом без розумного втручання?» Вони стверджують, що нерозумне життя може підтримувати всі умови, необхідні для виживання в позаземному середовищі.
«Життя на Землі ще не зробило цього, хоча воно, безсумнівно, адаптувалося до все більш широкого діапазону умов навколишнього середовища з часом», – підсумовують вони. «Дослідження правдоподібності різних шляхів еволюції життя за альтернативних планетарних граничних умов буде цікавою темою для майбутніх досліджень».
