Есть ли у нас планетарная предвзятость, когда дело доходит до понимания того, где жизнь может увековечиться? Это вполне естественно. В конце концов, мы находимся на одной из них. Однако планеты могут быть не обязательны для жизни, и двое ученых из Шотландии и США предлагают нам пересмотреть эту идею.
Мы фокусируемся на планетах как на среде обитания жизни, поскольку они соответствуют условиям, необходимым для выживания жизни. Жидкая вода, правильная температура и давление для поддержания ее в жидком состоянии и защита от вредного излучения являются основными требованиями для фотосинтетической жизни.
Но что, если другие среды, даже те, которые поддерживаются самими организмами, также могут обеспечить эти потребности?
В новом исследовании, опубликованном в журнале Astrobiology, ученые отмечают, что экосистемы могут создавать и поддерживать условия, необходимые для их собственного выживания, без необходимости в планете.
Статья называется « Самоподдерживающиеся среды обитания живых организмов во внеземных условиях ». Авторами являются Робин Вордсворт, профессор наук о Земле и планетах Гарвардского университета, и Чарльз Кокелл, профессор астробиологии Школы физики и астрономии Эдинбургского университета.
«Стандартные определения обитаемости предполагают, что для жизни необходимо наличие 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 жизни существовать без планеты. Они могут пропускать свет для фотосинтеза, блокируя при этом ультрафиолетовое излучение. Они также могут предотвращать потерю летучих веществ в вакууме и поддерживать диапазон температур и давлений, необходимых для того, чтобы вода оставалась в жидком состоянии.
«Биологически созданные барьеры, способные пропускать видимое излучение, блокировать ультрафиолет и поддерживать температурные градиенты 25–100 К и перепады давления 10 кПа по сравнению с космическим вакуумом, могут обеспечить существование пригодных для жизни условий 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 изначально является подходящей средой обитания для жизни», — пишут авторы.
Земля не просто обеспечивает жидкую воду и защиту от радиации. Это целая система со слоями взаимодействующей сложности.
Поверхность планеты открыта для легкодоступного источника энергии от Солнца, которое движет всей биосферой. Элементы, которые мы считаем необходимыми для жизни, доступны, хотя иногда ограничены: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Они циркулируют в биосфере через вулканизм и тектонику плит и становятся снова доступными.
Земля также окисляется в атмосфере и на поверхности, а также восстанавливается в других регионах, таких как осадки и глубокие недра. Это позволяет «использовать окислительно-восстановительные градиенты для метаболических целей», объясняют авторы.
Таких условий больше нигде нет. Астробиология изучает замерзшие луны Солнечной системы из-за их теплых соленых океанов. Но есть ли у них циклы питательных веществ?
Маломассивные объекты во внешней Солнечной системе имеют достаточную площадь поверхности, но энергия Солнца слаба. Они вряд ли смогут удержать свои атмосферы, поэтому правильное давление и температура для жидкой воды недостижимы. Они также не защищены от ультрафиолетового излучения и космических лучей.
«Чтобы выжить за пределами Земли, — пишут авторы, — любой живой организм должен изменить 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 выработать условия для собственного выживания, и если фотосинтетическая жизнь может делать это в вакууме космоса, то и мы можем. Это было бы большим преимуществом для исследования 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 то, как вода ведет себя при различных давлениях и температурах.
«Минимальное давление, необходимое для поддержания жидкой воды, — это тройная точка: 611,6 Па при 0°C», — объясняют исследователи. Это число возрастает до нескольких кПа в диапазоне от 15 до 25 градусов Цельсия.
Цианобактерии могут расти при давлении воздуха в свободном пространстве 10 кПа, пока свет, температура и pH находятся в правильных диапазонах. Вопрос в том, создают ли какие-либо живые существа, о которых мы знаем, стенки, способные выдерживать 10 кПа?
«Разница внутреннего давления порядка 10 кПа легко поддерживается биологическими материалами и, по сути, распространена среди макроскопических организмов на Земле», — пишут авторы. «Увеличение кровяного давления от головы к ногам человека ростом 1,5 м составляет около 15 кПа».
Морские водоросли также могут выдерживать внутреннее давление поплавковых конкреций 15–25 кПа за счет выделения CO2 в процессе фотосинтеза.
Температура — это следующий фактор, который следует учитывать, когда речь идет о жидкой воде. Земля поддерживает свою температуру посредством парникового эффекта в атмосфере. Но, например, небольшие каменистые тела вряд ли смогут повторить это.
«Следовательно, биологически созданная среда обитания должна достигать того же эффекта посредством физики твердого тела», — пишут авторы.
Входящая и исходящая энергия должны быть сбалансированы, и некоторые организмы на Земле эволюционировали, чтобы поддерживать этот баланс.
«Сахарские серебряные муравьи, например, развили способность усиливать как свою поверхностную отражательную способность в ближнем инфракрасном диапазоне, так и свою теплоизлучательную способность, что позволяет им выживать при температурах окружающей среды выше диапазона всех других известных членистоногих», — пишут Вордсворт и Кокелл. Это позволяет им выживать, добывая пропитание в дневную жару, когда хищники должны держаться подальше от Солнца.
Люди создали кремниевые аэрогели с чрезвычайно низкой плотностью и теплопроводностью. Хотя прямых биологических эквивалентов нет, авторы пишут, что «в природе существует множество организмов, которые производят сложные кремниевые структуры».
Фактически, некоторые диатомовые водоросли могут производить кремниевые структуры, манипулируя частицами кремния, меньшими, чем те, которые используются в наших производственных процессах. Аэрогели, изготовленные из органических материалов, имеют схожие характеристики с искусственными.
«Учитывая это, вполне вероятно, что материалы с высокими изоляционными свойствами могут быть получены искусственно из биогенного сырья или даже непосредственно живыми организмами», — пишут авторы.
Авторы подсчитали, что такие конструкции могут поддерживать нужную температуру и давление для сохранения воды в жидком состоянии.
«Как можно видеть, поддержание внутренней температуры на уровне 288 К возможно для широкого диапазона орбитальных расстояний», — объясняют они. «Этот расчет предполагает свободно плавающую среду обитания, но аналогичные соображения применимы к средам обитания на поверхности астероида, луны или планеты».
Другая проблема — летучие потери. Место обитания, которое не может удерживать свою атмосферу, не может поддерживать температуру и давление, необходимые для жидкой воды.
«Все материалы обладают некоторой проницаемостью для атомов и малых молекул, и в длительных временных масштабах космический вакуум представляет собой по сути постоянный резервуар для летучих веществ», — объясняют авторы.
Эту проблему можно решить с помощью тех же барьеров, которые поддерживают давление и температуру. «Сдерживание выхода летучих веществ было бы проще всего осуществить с помощью той же части стенки среды обитания, которая отвечает за поддержание перепада давления, необходимого для стабилизации жидкой воды», — пишут авторы.
Авторы также рассматривают воздействие УФ-излучения. Радиация может быть смертельной, но есть примеры жизни на Земле, которые эволюционировали, чтобы понять это.
«Однако его легко блокируют такие соединения, как аморфный кремний и восстановленное железо, которые сегодня ослабляют УФ-излучение в окремненных биопленках и строматолитах, не блокируя при этом видимое излучение, необходимое для фотосинтеза», — пишут они.
Доступность солнечной энергии для фотосинтеза, вероятно, не является большим препятствием во многих частях Солнечной системы. Авторы указывают, что арктические водоросли растут при чрезвычайно слабом освещении подо льдом.
Потребуется некий тип цикла 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 позволяет это сделать, но без этих экстремальных условий «полностью замкнутая экосистема в космосе потребовала бы некоторой внутренней компартментализации для установления химических градиентов и специализированной биоты, способной разлагать стойкие отходы», пишут они.
В своей статье авторы рассматривают другие факторы, такие как размер клеток и факторы, которые ограничивают размер одноклеточных организмов и более крупных, более 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 ограничена никакими физическими или химическими ограничениями и поэтому представляет интерес для дальнейшего рассмотрения», — пишут они.
Это возможно, пока система может регенерировать свои стенки. Авторы указывают, что существующая фотосинтетическая жизнь уже может производить аморфный кремний и органические полимеры. Эти материалы могут служить стенами и, по крайней мере, показывать, что есть путь, по которому организмы могут эволюционировать, чтобы создавать стенки среды обитания.
«Более автономная среда обитания могла бы выращивать собственный материал для стенок, подобно тому, как растительные клетки восстанавливают свои собственные стенки в микрометровом масштабе», — объясняют они.
Мы склонны думать, что если жизнь существует где-то еще, она следует тем же эволюционным путем, что и здесь, на Земле, но это может быть неправдой. «Поскольку эволюция жизни в других местах могла следовать совсем иным путям, чем на Земле, живые среды обитания также могли существовать за пределами традиционных обитаемых сред вокруг других звезд, где у них были бы необычные, но потенциально обнаруживаемые биосигнатуры», — пишут авторы.
Авторы задаются вопросом: «Могут ли биологические структуры, которые мы здесь обсуждаем, развиться естественным путем, без разумного вмешательства?» Они утверждают, что неразумная жизнь может поддерживать все условия, необходимые для выживания во внеземных условиях.
«Жизнь на Земле пока этого не сделала, хотя она, безусловно, адаптировалась к все более широкому диапазону условий окружающей среды с течением времени», — заключают они. «Исследование правдоподобности различных эволюционных путей для жизни в альтернативных планетарных граничных условиях станет интересной темой для будущих исследований».
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/176108-uchenye-utverzhdayut-chto-zhizn-mozhet-sushchestvovat-v-kosmose-dazhe-bez-planet
Обозрение "Terra & Comp".
