Жизнь существует на Земле более 4 миллиардов лет. Были ли мы единственными?
Один из самых неуловимых вопросов науки - это вопрос о жизни во Вселенной. Мы знаем, что она существует на Земле, что каждый существующий живой организм на Земле произошел от одного и того же общего предка, насчитывающего миллиарды лет, и что жизнь существует на Земле непрерывно более 4 миллиардов лет: по крайней мере, 90% времени существования нашей планеты. Но мы вообще не знаем, насколько жизнь вездесуща. У нас нет информации о жизни на других мирах нашей Солнечной системы, о жизни в других солнечных системах или о разумной жизни где-либо еще во Вселенной.
Каждая планета, на которой когда-либо могла быть жизнь, представляет собой шанс для развития жизни. Мы знаем, что Земля была одним из тех шансов, которые удались, но по крайней мере два других мира в нашей молодой Солнечной системе, Марс и Венера, также имели потенциальные шансы. Могла ли жизнь развиться на них, если не сейчас, то в нашем далеком прошлом? Вот что хочет знать Кэрол Лейк, задавая вопрос:
«Возможно ли, что Марс и Венера были живыми мирами? Изменение климата убивает все живые существа, и тогда Земля может стать просто еще одной планетой, о которой новая жизнь будет задаваться таким вопросом?»
Это интересный вопрос для изучения, поскольку и Марс, и Венера действительно пережили катастрофические климатические явления миллиарды лет назад.
Хотя теперь мы считаем, что понимаем, как образовались Солнце и наша солнечная система, это раннее представление является только иллюстрацией. Что касается того, что мы видим сегодня, все, что у нас осталось, - это остатки. То, что было на ранних этапах, было гораздо больше, чем то, что сохранилось сегодня. (JOHNS HOPKINS UNIVERSITY APPLIED PHYSICS LABORATORY/SOUTHWEST RESEARCH INSTITUTE (JHUAPL/SWRI))
Давайте вернемся назад, примерно на 4,6 миллиарда лет назад, в самые ранние дни образования нашей Солнечной системы. Когда формируется Солнечная система, есть ряд вещей, которые должны происходить в определенном порядке. В случае возникновения нашей Солнечной системы, мы полагаем, что это должно было происходить следующим образом:
- молекулярное облако газа сжимается под действием собственной силы тяжести;
- регионы с наибольшей концентрацией вещества сжимаются быстрее;
- что ведет к образованию новых звезд и звездных систем в областях наибольшего сжатия;
- где сгустки наибольшей массы растут быстрее всего, становясь самыми массивными звездами;
- а более мелкие сгустки растут медленнее, становясь звездами с меньшей массой;
- и что один из этих меньших сгустков с одной большой начальной (центральной) массой стал протозвездой, которая вырастет в наше Солнце.
Эта центральная масса будет продолжать расти, излучая огромное количество излучения и медленно нагревая свое ядро. Поскольку материал продолжает мягко падать на центральную протозвезду, вокруг нее появляется околозвездный диск. В этом диске сформируется гравитационная нестабильность, которая приведет к планетезималиям: семенам того, что в конечном итоге станет планетами.
Что произойдет дальше, предсказать нелегко, поскольку формирование планет - это хаотический процесс. По сути, есть три «зоны» относительно звезды или протозвезды, которая формируется в центре, которые определяют, какие типы элементов вы получите.
Во внутренней области, ближайшей к звезде, находится так называемая «линия сажи». Внутри этой зоны разрушаются многие молекулы на основе углерода, которые, как считается, являются предшественниками жизни, такие как полициклические ароматические углеводороды. Только тяжелые элементы, такие как металлы, могут выжить в этой внутренней области.
Помимо этого, вне линии сажи, у вас могут быть эти сложные соединения, но не со льдом: водяной лед, аммиачный лед, сухой лед, азотный лед и т. д. Пока вы все еще находитесь внутри линии замерзания, эти летучие соединения будет испаряться. Молодые Венера, Земля и Марс находились за пределами линии сажи, но внутри линии замерзания.
А за пределами линии замерзания вы можете получить все летучие соединения, которые там есть. Подойдут различные виды льда; большие количества водорода и гелия могут легко выжить, будучи связаны с газовым гигантом; там распространены астероидоподобные и кометоподобные тела.
Со временем формирующиеся планетезимали будут гравитационно взаимодействовать, расти, сливаться и хаотически влиять друг на друга. Некоторые тела выбрасываются на Солнце, другие за пределы Солнечной системы, другие срастаются с большими массами. В конце концов достигается стабильная планетарная конфигурация.
Ранняя Солнечная система была заполнена кометами, астероидами и небольшими сгустками материи, падавшими практически на любой мир вокруг. Этот период, известный как поздняя сильная бомбардировка, может быть механизмом, ответственным за доставку большей части воды, находящейся во внутренних мирах солнечной системы, в эти миры, включая Землю. (НАСА)
На этих последних стадиях летучие соединения, связанные с объектами, расположенными за линией замерзания, имеют два варианта: либо они падают на одну из выживших планет, или они в конечном итоге будут выброшены. (считается, что это, вероятно, источник воды, обнаруженной на Земле и других внутренних планетах.) Как правило, есть только два региона, где эти объекты скапливаются: снаружи от начальной линии замерзания, но внутри по отношению к орбите следующей планеты, и за пределами орбиты последней планеты Солнечной системы. Эти места в нашей Солнечной системе соответствуют поясу астероидов и поясу Койпера/облаку Оорта соответственно.
Наконец, мы подошли примерно к времени 4,5 миллиарда лет назад, когда в нашей Солнечной системе у нас было три мира, которые, как мы подозреваем, были относительно схожими. Венера, Земля и Марс - все это были скалистые планеты с тонкой, но плотной атмосферой, водой на поверхности, некоторые из которых, вероятно, были в жидкой форме, и все они были чрезвычайно богаты органическими соединениями: молекулами - предшественниками жизни.
Земля слева и Венера, как видно в инфракрасном свете справа, имеют почти одинаковые радиусы, при этом размер Венеры составляет примерно ~ 90–95% физического размера Земли. Однако из-за ее близости к Солнцу раньше Венеру постигла совершенно иная судьба. Возможно, что примерно через миллиард лет Земля последует этому примеру. (ARIE WILSON PASSWATERS/RICE UNIVERSITY)
Большой вопрос, который мы должны себе задать: что случилось?
Что случилось на Венере, превратив ее в адскую дыру, которая там сегодня? Когда это произошло, как это произошло и могла ли жизнь процветать и существовать на этой планете до этого катастрофического события?
Что произошло на Марсе, что заставило его потерять атмосферу, высохнуть и замерзнуть, что сделало биологические процессы, которые мы связываем с жизнью, невозможными или настолько редкими, что нам еще предстоит их обнаружить?
И что происходит сейчас на Земле, и может ли это привести к той же судьбе, что и Венеру или Марс: где некогда обитаемая (или, по крайней мере, потенциально обитаемая) планета теперь полностью непригодна для жизни, какой мы ее знаем?
Одно можно сказать наверняка: несмотря на всю неопределенность, связанную с происхождением жизни на Земле, мы знаем, что как только она захватила нашу планету (событие, которое произошло более 4 миллиардов лет назад), она выжила и процветала в непрерывной цепи событий, которые произошли с тех пор. Хотя было много событий массового вымирания, они позволили выжившим видам воспроизвести и заполнить пустующие в то время экологические ниши. Наша планета остается живой.
Лазерный высотомер Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA), входящий в состав Mars Global Surveyor, собрал более 200 миллионов измерений лазерного высотомера при построении этой топографической карты Марса. Области, которые выделяются темно-синим или светло-голубым цветом, а также некоторые более зеленые области, вероятно, давным-давно были покрыты водой. (ГРУППА MARS GLOBAL SURVEYOR MOLA)
Однако на ранних этапах существования нашей Солнечной системы Земля не обязательно была единственной живой планетой. Все три мира - Венера, Земля и Марс, испытали внешние воздействия и столкнулись с внутренними геологическими процессами. Произошли магнитные события в ядре, континентальное поднятие и эрозия. Все эти миры испытали обширную вулканическую активность, которая добавила летучие соединения и большое количество углекислого газа в атмосферу, а также создала относительно гладкое дно океана. Все три мира, скорее всего, имели водное прошлое.
Но между этими планетами есть три основных различия, которые, вероятно, привели к их совершенно разным судьбам.
Во-первых, их орбитальные расстояния от Солнца различаются: Венера движется по орбите всего на ~ 72% расстояния Земля-Солнце, а Марс вращается гораздо дальше, примерно на ~ 150% расстояния Земля-Солнце.
Другой фактор - это скорость вращения планет: у Марса день похож на земной, примерно на 40 минут дольше, а Венера вращается в противоположном направлении, и ей требуется более 200 земных дней, чтобы совершить оборот вокруг своей оси.
И, наконец, физические размеры этих планет: в то время как Венера близка к размеру Земли, примерно 95% диаметра нашей планеты, Марс составляет лишь половину диаметра Земли.
На этой иллюстрации показан возможный путь, по которому терраформирование Марса может сделать его более земным. Однако в прошлом, скорее всего, шел обратный процесс: когда-то влажный и, возможно, богатый жизнью Марс потерял свое защитное магнитное поле, что привело к потере его атмосферы. Сегодня жидкая вода практически невозможна на поверхности Марса. (ENGLISH WIKIPEDIA USER ITTIZ)
Жизнь в мире обычно рассматривается как стабилизирующая сила, точно так же, как буферный раствор в химии не позволяет сделать весь раствор слишком кислым или слишком щелочным. Жизнь достигает своего рода состояния равновесия с окружающей средой, при котором любые серьезные изменения температуры, в положительную или отрицательную сторону, приведут к тому, что жизненные процессы начнут работать, чтобы противодействовать этому изменению. Только если произойдет серьезное изменение, коренным образом изменившее состояние равновесия, как это произошло с кислородной революцией на Земле, или дрожжевые клетки делают в среде с неограниченным количеством питательных веществ или что люди делают с ископаемым топливом сегодня, может произойти сдвиг.
Но на Венере и Марсе, даже если жизнь когда-то существовала в этих мирах, ее присутствия было недостаточно, чтобы остановить неконтролируемые процессы, которые, скорее всего, были инициированы астрофизическими и геологическими факторами. По мнению некоторых, Венера могла быть процветающим миром в течение сотен миллионов лет, возможно, даже 2 миллиардов лет. Ее условия могли быть земными, с жидкой водой на поверхности. Точно так же на Марсе когда-то были океаны, реки, образовались осадочные породы и гематитовые шарики, и он был влажным с умеренным климатом в течение по крайней мере 1,5 миллиарда лет.
Эта культовая фотография марсианской "черники" или гематитовых сфер была сделана Opportunity в низинах Марса. Считается, что влажное прошлое привело к образованию этих сфер, с очень убедительными доказательствами, исходящими из того факта, что многие из сфер были обнаружены скрепленными вместе, что должно происходить, только если они имели водное происхождение. (JPL / NASA / CORNELL UNIVERSITY)
Большой вопрос, конечно, «что случилось?»
Фактор, повлиявший на Венеру, вероятно, очень прост: ее близость к Солнцу. Учитывая, насколько она близко, она получает примерно вдвое больше падающей энергии на каждый квадратный метр своей поверхности по сравнению с Землей. Даже при небольшом количестве водяного пара в атмосфере ранней Венеры мог бы возникнуть большой парниковый эффект, который еще больше повысил бы температуру Венеры. При более высоких температурах концентрация водяного пара в атмосфере еще больше увеличивается, что также приводит к дальнейшему повышению температуры.
К несчастью для Венеры, этот процесс не может вечно происходить постепенно. В какой-то критический момент температура поверхности Венеры достигнет критического значения: около 100 °C или, возможно, немного выше, в зависимости от атмосферного давления в то время. Когда это произойдет, жидкая вода на поверхности Венеры начнет выкипать, выбрасывая в атмосферу огромное количество водяного пара, по сути, сумму всех венерианских океанов, и это приводит к безудержному парниковому эффекту. Внезапно атмосфера Венеры становится слишком горячей, чтобы допустить жизнь на поверхности; единственное место, где она теоретически могла сохраниться, это верхние слои атмосферы Венеры, на высоте примерно 60 км. Когда бы это ни происходило, любая жизнь, существовавшая ранее на Венере, скорее всего, исчезла.
Гипотетическая миссия НАСА HAVOC: High-Altitude Venus Operational Concept. Эта миссия на воздушном шаре может искать жизнь в облаках нашего ближайшего соседа, поскольку условия на Венере на высоте ~ 60 км над поверхностью, удивительно похожи на земные с точки зрения давления и температуры. Поскольку это выше слоев серной кислоты, жизнь могла существовать здесь миллиарды лет. (NASA LANGLEY RESEARCH CENTER)
Между тем, Марс получает только ~ 43% энергии, которую получает Земля (от Солнца) на каждый квадратный метр. Для того, чтобы Марс был водянистым и влажным, в пользу чего есть огромное количество геологических свидетельств, на Марсе уже давно должна была существовать значительная плотная атмосфера. Только сильный парниковый эффект мог поддерживать как температуру, так и давление там, где они необходимы для существования жидкой воды на поверхности Марса.
Так что же случилось на Марсе?
Единственное, что могло сохранить атмосферу Марса в неприкосновенности, это защита планетарного магнитного поля, аналогичного тому, что есть на Земле сегодня. Без него атмосфера Марса была бы унесена солнечным ветром: это было напрямую измерено миссией НАСА MAVEN. Из-за гораздо меньшего размера Марса по сравнению с Землей, его ядро охлаждается гораздо быстрее, что в конечном итоге приводит к гибели внутреннего магнитного динамо, которое активно отводит эти солнечные частицы. Без защитного магнитного поля, которое, по нашим оценкам, исчезло примерно через 1,5 миллиарда лет, практически вся марсианская атмосфера была унесена всего за 0,01 миллиарда лет: космическое мгновение.
Без этой атмосферы жидкая вода либо замерзла, либо сублимировалась, любая жизнь либо вошла в спячку, либо вымерла, а Марс стал и продолжает оставаться холодным и (в основном) безжизненным в течение ~ 3 миллиардов лет, которые прошли с тех пор.
Марс, красная планета, не имеет магнитного поля, защищающего его от солнечного ветра, а это означает, что он теряет свою атмосферу в отличие от Земли. Временной масштаб, в течение которого Марс потеряет атмосферу земного типа, составляет порядка 10 миллионов лет, но магнитное поле Земли должно оставаться неизменным в течение многих миллиардов лет. (NASA / GSFC)
Сможет ли человечество уничтожить все живое на Земле? Это маловероятная перспектива. Это не невозможно, поскольку мы уже вошли в период, который классифицировали как 6-е великое массовое вымирание. Климат меняется, наша дикая природа исчезает (менее одной трети поверхности Земли теперь занято дикой природой), океаны закисляются, концентрация CO2 в атмосфере выше, чем была за миллионы лет, и продолжает расти рекордными темпами из-за деятельности человека. Если мы не будем осторожны, возможность экологического коллапса вполне реальна и вполне может привести к уничтожению человечества и, возможно, даже к полному падению млекопитающих.
Но жизнь в той или иной форме должна по-прежнему существовать на нашей планете. Как и в случае с Венерой и Марсом, момент «окончания игры» для жизни на Земле, скорее всего, возникнет из-за влияния Солнца. Со временем Солнце продолжает сжигать свое ядерное топливо, оно нагревается и становится более ярким. Примерно еще через ~ 1 миллиард лет, плюс-минус, его излучение вскипятит и океаны Земли, положив конец жизни, какой мы ее знаем здесь, на нашей планете. В то время как изменение климата, вызванное деятельностью человека, может привести к нашей собственной гибели, жизнь на Земле гораздо более жизнеспособна. Если мы сможем пережить наше технологическое младенчество, у нас будет по крайней мере много сотен миллионов лет до наступления угрожающего планете кризиса. Давайте продолжим решать задачу поиска баланса с природой. Это наша единственная надежда на долгосрочное выживание.
Комментариев нет:
Отправить комментарий