Могут ли океанские планеты поддерживать жизнь?

Они интригуют тем, что их атмосферы достаточно теплые, чтобы на них могла существовать жидкая вода за пределами традиционных пригодных для жизни зон. Если они существуют, ученые считают их хорошими кандидатами на поддержание микробной жизни.

Гибридные миры гипотетичны, но есть некоторые доказательства их существования. Миссия «Кеплер» обнаружила множество кандидатов и предоставила фундаментальные доказательства их существования. Однако ни один из них не был обнаружен с уверенностью.

Совсем недавно наблюдения JWST также подтвердили эту идею. Космический телескоп обнаружил углекислый газ и метан в атмосфере гигантского мира-кандидата под названием K2-18b. Обе эти молекулы могут быть биосигнатурами микробной жизни в условиях, сходных с земными океанами.

В новом исследовании , опубликованном в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, рассматривается потенциал гигантских миров для эволюции жизни и то, как жизнь может зависеть от термодинамических условий этих миров. Работа называется «Перспективы биологической эволюции на гигантских мирах». Авторы работы — Эмили Г. Митчелл и Никку Мадхусудхан из Кембриджского университета.

«Поиск внеземной жизни — один из самых фундаментальных поисков в истории человечества», — пишут авторы. «Важным недавним событием в этом направлении является возможность существования гигантских миров, которые увеличивают как число потенциально пригодных для жизни планет, так и возможность обнаружения биосигнатур в их атмосферах».

Исследования показывают, что гигантские миры могут обеспечивать химические и термодинамические условия, необходимые для сохранения микробной жизни в их океанах. В этом исследовании авторы использовали метаболическую теорию экологии (MTE), чтобы изучить, как простая жизнь может развиваться в гигантских мирах при различных температурных условиях.

Проще говоря, МТЭ гласит, что скорость метаболизма организма является основой его способности сохраняться и процветать. Это относится как к индивидуальным процессам, так и к процессам в сообществах и популяциях. Ключевая идея MTE заключается в том, что температура сильно влияет на скорость метаболизма.

Предыдущие исследования показывают, что при повышении температуры в пригодной для жизни среде биологическая активность возрастает до определенного предела. В этом исследовании Митчелл и Мадхусудхан изучают, как температура поверхности океана влияет на одноклеточную жизнь земного типа и сколько времени требуется для ее зарождения на гибридных мирах. Они также изучают, как разные температуры влияют на возможность обнаружения биосигнатур.

«Эта работа, в свою очередь, имеет наблюдаемые последствия для заметных биосигнатур на таких планетах, учитывая, что одноклеточный фитопланктон является основным источником ключевых биомаркеров в атмосфере Земли, таких как диметилсульфид, который может быть заметен в атмосферах гигантов», — пишут исследователи в своей работе.

Диметилсульфид тесно связан с фитопланктоном и имеет уникальную спектральную подпись, которую JWST может обнаружить в атмосферах экзопланет.

Исследователи сосредоточились на нескольких ключевых группах фитопланктона, которые в изобилии встречаются на Земле и производят биосигнатурные газы в ее атмосфере. Среди них цианобактерии (сине-зеленые водоросли), метанококки (метаногены) и диатомовые водоросли, которые ежегодно производят до 50 % кислорода на Земле. Особое внимание они уделили Aquificota.

Aquificota — это филум бактерий, названный в честь одного из ранних родов группы Aquifix. Его представители встречаются в пресной воде и океанах и могут производить воду, окисляя водород.

«Чтобы проиллюстрировать, как изменяются темпы эволюции в зависимости от температуры на планетарных временных масштабах, мы рассчитали темпы эволюции для примера организма (Aquifix) за последние 4,3 миллиарда лет», — говорится в статье. Аквификс использовали потому, что он является сильным аналогом некоторых первых форм жизни на Земле».

Исследователи показали, что даже незначительные изменения температуры поверхности земного океана по сравнению с температурой поверхности Земли в эволюционном масштабе времени существенно меняют время зарождения и темпы эволюции важных видов простой жизни. «Например, повышение температуры на 10 К относительно температуры Земли
приводит к увеличению скорости эволюции более чем в два раза, в то время как снижение на 10 К уменьшает ее вдвое», — поясняют авторы.

Они обнаружили, что более теплые океаны могут ускорять темпы эволюции, позволяя ключевым одноклеточным группам, таким как археи и бактерии, появиться уже через 1,3 миллиарда лет после зарождения жизни. Это указывает на то, что более высокие температуры способствуют более быстрому развитию сложной жизни.

«Это увеличение скорости оказывает значительное влияние на время возникновения одноклеточных групп, так что при повышении температуры поверхности на 10 К все основные группы возникнут к 1,19 Гр после зарождения жизни (OlL), а все ключевые группы фитопланктона — к 1,28 Гр», — пишут авторы.

Обратное тоже верно. Исследователи обнаружили, что более низкие температуры задерживают появление ключевых форм жизни на несколько миллиардов лет. Это может означать, что для появления сложной жизни требуется больше времени.

«Напротив, снижение средней температуры поверхности на 10 К сильно ограничивает скорость зарождения, так что к 4 Гр после OoL будут развиваться только бактерии и археи, но не кислородный фотосинтез или эукариоты, — пишут авторы.

В таком случае это также повлияет на появление наблюдаемых биосигнатур, их интенсивность и легкость обнаружения».

Один из главных выводов исследователей заключается в том, что лишь незначительный диапазон условий окружающей среды позволяет варьировать скорость эволюции и время зарождения. «Во-первых, учитывая широкий диапазон возможных атмосферных условий в гиперийских мирах, можно ожидать столь же широкого разнообразия микробной жизни», — пишут они. «В частности, возникновение новых кладов в теплых гибридных мирах может происходить значительно быстрее, чем на Земле».

Если миры-гиганты существуют, это исследование позволяет предположить, что они могут «пульсировать жизнью», как выразился Карл Саган, в более короткие сроки, чем Земля.

Известные нам гиперокеанические миры-кандидаты, как считается, имеют более теплые океаны, чем Земля. Таким образом, и на гибридном мире K2-18 b, возраст которого составляет всего 2,4 миллиарда лет, могут быть условия, необходимые для возникновения и существования ключевых групп одноклеточных. Это означает, что он и другие подобные ему объекты являются хорошими целями для поиска биосигнатур.

Авторы предлагают несколько оговорок к своим результатам. Они рассмотрели лишь довольно узкий диапазон температурных и физических условий, основанных на Земле. В действительности пригодные для жизни внеземные планеты могут иметь гораздо более широкий диапазон. «Будущая работа в этом направлении может изучить ряд других условий, включая влияние гравитации, давления, больших колебаний температуры и других факторов окружающей среды», — пишут исследователи в своем заключении.

Мы не знаем, существуют ли океанические миры. Некоторые ученые считают, что их богатые водородом атмосферы могут быть нестабильными. Существуют также опасения, что радиационное облучение может препятствовать развитию жизни, а химический состав атмосферы — биохимическим процессам. Пути формирования этих миров также неясны, как и механизмы создания и поддержания их атмосфер.

Однако если они существуют, то данное исследование проясняет одну вещь: при разных температурах поверхности теплая планета может иметь более сложную биосферу в относительно молодом возрасте, а более холодная — более простую биосферу в более позднем возрасте.

В конце концов, мы не отправимся в путешествие ни к одному из этих миров, так что обнаружение биосигнатур — главная задача.

«Такие биосферы с разным уровнем сложности могут влиять на возможность обнаружения жизни на них, так что более теплые планеты потенциально могут демонстрировать сильные атмосферные биосигнатуры», — заключают исследователи.

Изучение гигантских миров открывает перед учеными не только новые горизонты в поиске внеземной жизни, но и углубляет наши представления о том, что такое жизнь в разных условиях. Это напоминает о том, как разнообразны формы жизни на Земле: от теплых тропических лесов до ледяных пустыней, каждая среда обитания развивает уникальные механизмы выживания, метаболизма и воспроизводства.

Стоит отметить, что одно из наиболее интригующих наблюдений касается вопроса «потенциала» этих морских миров. Учитывая уникальные условия, включая высокую температуру океанов и давление на глубине, возможно, что жизнь на таких планетах могла бы принять совершенно неожиданные формы. Мы можем столкнуться с организмами, которые на первый взгляд кажутся невероятными по сравнению с наземными существами.

Климат и физические условия могут привести к совсем другим эволюционным стратегиями, как, например, симбиотическое существование, где два или более видов могут зависеть друг от друга на уровне метаболизма. Также, учитывая существование водорода и других простых молекул в атмосфере, исследователи задаются вопросом о том, как сложные соединения могут образовываться в таких условиях, где нет привычной суши и континентов.

Исследования, подобные тем, что проводили Митчелл и Мадхусудхан, находят все большее отклик среди астрономов и биологов. Кроме того, последующие задачи по наблюдению за такими мирами не должны ограничиваться только анализом углекислого газа и метана, но также должны учитывать более сложные молекулы, производимые возможными формами жизни.

Для привлечения внимания к этому вопросу, некоторые ученые предлагают симуляции различных атмосфер гигантских миров, исследуя их стабильность и взаимодействие с формами жизни при помощи современных моделей. Эти исследования могут дать дополнительные подсказки о том, как искать признаки жизни на планетах, которые содержат лишь океаны и облака, но не сушу.

Кроме того, научные подходы к созданию уважительных и этичных методов поиска внеземной жизни будут продолжаться. Исследуя потенциальные возможности и угрозы, экологи-астрономы могут задаваться вопросами о том, как выживание и эволюция форм жизни могут повлиять на экосистемы этих планет.

Такое стремление расширяет горизонты нашего понимания жизни, предоставляя новый контекст для размышлений о том, что такое «жизнь» и как она может проявляться в условиях, отличающихся от тех, к которым мы привыкли на Земле. Каждый новый кадр, полученный этими телескопами, заставляет нас пересматривать свои критерии для пригодности жизни, обращая внимание на уникальный потенциал даже самых далеких и загадочных миров.

Конечно, на пути к обнаружению биосигнатур отсутствуют гарантии. Но по мере того, как мы продолжаем исследовать захватывающую возможность существования гигантских миров, мы приближаемся к пониманию, что жизнь может значительно отличаться от привычных нам форм, но при этом оставаться загадкой, которую стоит разгадать.