|
Насколько хорошо земная жизнь могла бы жить на экзопланетах
|
|
|
|
Астрономы обнаружили несколько довольно необычных экзопланет. Некоторые из них представляют собой шары лавы адской температуры, одна частично состоит из алмаза, а с другой может идти дождь из расплавленного железа. Однако не все экзопланеты настолько экстремальны. Некоторые из них представляют собой скалистые миры размером примерно с Землю, расположенные в обитаемых зонах своих звезд.
|
|
|
|
Может ли простая земная жизнь выжить на некоторых из этих менее экстремальных миров?
|
|
|
|
В настоящее время мы называем обитаемую зону Солнечной системы жидкой водой. Если планета находится на достаточном расстоянии от своей звезды, чтобы на ее поверхности была стабильная вода, мы считаем, что она находится в обитаемой зоне. Однако в новом исследовании используется другой подход, подчеркивающий роль атмосферы планеты в обеспечении пригодности для жизни.
|
|
|
|
Ученые, стоящие за этим исследованием, проверили свою идею, выяснив, могут ли микробы выжить в смоделированных мирах.
|
|
|
|
Новое исследование называется "Роль состава атмосферы в определении границ обитаемой зоны и поддержке роста кишечной палочки" и доступно на сервере препринтов arXiv. Ведущим автором является Асена Кузукан, аспирант кафедры астрономии Женевского университета в Швейцарии.
|
|
|
|
|
|
|
Ученые обнаружили около 6000 экзопланет примерно в 4300 планетных системах. Есть ли жизнь где-нибудь еще и пригодна ли для жизни какая-либо из этих тысяч экзопланет?
|
|
|
|
Некоторые исследователи предполагают, что это возможно. TRAPPIST1-e и Проксима Центавра b являются каменистыми планетами, расположенными в обитаемых зонах своих звезд. TOI-700 d вращается вокруг маленькой холодной звезды и может находиться в ее обитаемой зоне. Существует множество других планет.
|
|
|
|
Простое определение пригодной для жизни зоны ограничено расстоянием планеты от ее звезды и тем, может ли вода в жидком виде сохраняться на ее поверхности на таком расстоянии. Однако ученым известно, что атмосфера планеты играет большую роль в пригодности для жизни. Плотная атмосфера на планете, находящейся за пределами обитаемой зоны, могла бы помочь ей поддерживать воду в жидком состоянии.
|
|
|
|
"Каждая атмосфера уникальным образом влияет на вероятность наличия жидкой воды на поверхности, определяя пригодную для жизни зону (ГЦ) - область вокруг звезды, где может существовать жидкая вода", - пишут авторы. Однако жидкая вода не гарантирует, что планета пригодна для жизни. Чтобы лучше понять пригодность экзопланет для жизни, исследователи использовали двусторонний подход.
|
|
|
|
Они начали с оценки условий на поверхности экзопланет вблизи внутреннего края HZ звезды с различным составом атмосферы.
|
|
|
|
Затем они рассмотрели, могут ли земные микробы выжить в таких условиях. Они провели лабораторные эксперименты с кишечной палочкой, чтобы выяснить, могут ли они расти и выживать. Они сосредоточились на различном составе газов в этих атмосферах. Состав атмосферы состоял из стандартного (земного) воздуха, чистого CO2, обогащенного N2, CH4 и чистого молекулярного водорода.
|
|
|
|
В экспериментах использовалось 15 отдельных баллонов, по три для каждого из пяти составов атмосферы. Каждая бутылка была заражена кишечной палочкой К-12, лабораторным штаммом кишечной палочки, который является краеугольным камнем молекулярно-биологических исследований.
|
|
|
|
"Это инновационное сочетание климатического моделирования и биологических экспериментов связывает теоретические прогнозы климата с биологическими результатами", - пишут они в своем исследовании.
|
|
|
|
Наряду с лабораторными экспериментами команда провела серию симуляций с различными составами атмосферы и планетарными характеристиками.
|
|
|
|
"Для каждого состава атмосферы, который мы моделируем, вода является переменным компонентом, который может конденсироваться или испаряться в зависимости от давления/температуры", - пишут они. Для каждого состава атмосферы они моделировали планеты на разных орбитальных расстояниях, чтобы определить внутреннюю границу ГЦ. Они также изменяли атмосферное давление.
|
|
|
|
"Используя трехмерное моделирование GCM (General Circulation Model), это исследование дает первый взгляд на то, как эти атмосферные составы влияют на внутреннюю границу обитаемой зоны, предлагая ценную информацию о теоретических пределах обитаемости в этих экстремальных условиях", - объясняют авторы.
|
|
|
|
"Наши результаты показывают, что состав атмосферы существенно влияет на характер роста бактерий, подчеркивая важность учета различных атмосфер при оценке пригодности экзопланет для жизни и продвижения поиска жизни за пределами Земли", - пишут они.
|
|
|
|
Кишечная палочка проявила себя на удивление хорошо в различных атмосферных условиях. Несмотря на то, что после прививки, по мере адаптации кишечной палочки, наблюдалась задержка, плотность клеток в некоторых тестах увеличилась. Атмосфера, богатая водородом, показала себя на удивление хорошо.
|
|
|
|
"К первому дню после прививки плотность клеток увеличилась в атмосфере стандартного воздуха, богатой СН4, N2 и чистой Н2", - пишут авторы.
|
|
|
|
"В то время как плотность элементов увеличивалась аналогичным образом в атмосферах со стандартным содержанием воздуха, с высоким содержанием CH4 и N2, в атмосфере с чистым H2 наблюдалось несколько более сильное увеличение. Быстрая адаптация E. coli к чистому H2 позволяет предположить, что атмосфера, богатая водородом, может поддерживать анаэробную микробную жизнь после акклиматизации".
|
|
|
|
В отличие от результатов по H2, результаты по CO2 были более низкими. "Чистый CO2, однако, неизменно представлял собой наиболее сложную среду со значительно более медленным ростом", - говорится в документе.
|
|
|
|
Их результаты показывают, что планеты с анаэробной атмосферой, в которой преобладают H2, CH4 или N2, все еще могут поддерживать микробную жизнь, даже если первоначальный рост происходит медленнее, чем в земном воздухе.
|
|
|
|
"Способность адаптироваться к менее благоприятным условиям подразумевает, что жизнь могла бы сохраниться на таких планетах, если бы у них было достаточно времени для акклиматизации", - пишут авторы.
|
|
|
|
Атмосфера, богатая CO2, выделяется в этой работе.
|
|
|
|
"Неизменно низкий уровень содержания чистого CO2 подчеркивает ограниченность этого газа в поддержании жизни, особенно для гетеротрофных организмов, таких как кишечная палочка", - пишут Кузукан и ее коллеги-исследователи.
|
|
|
|
Однако авторы отмечают, что некоторые формы жизни могут использовать CO2 в качестве источника углерода в некоторых средах. Они объясняют, что на планетах с такими типами атмосфер все еще могут существовать адаптированные к ним организмы, такие как хемотрофы или экстремофилы.
|
|
|
|
Эта работа сочетает в себе атмосферные и биологические факторы для понимания высокочастотных зон экзопланет.
|
|
|
|
"Одной из наших ключевых задач было определение пределов HZ для планет, на которых преобладают H2 и CO2, с использованием трехмерного моделирования климата, в частности, общей модели PCM", - объясняют авторы.
|
|
|
|
Они обнаружили, что атмосфера H2 оказывает согревающее действие, "отодвигая внутренний край HZ на большее орбитальное расстояние, чем атмосфера, в которой преобладает CO2". Он может достигать 1,4 а.е. при давлении 5 бар, в то время как атмосферное давление CO2 при том же давлении ограничено 1,2 а.е.
|
|
|
|
"Это демонстрирует глубокое влияние состава атмосферы на планетарный климат и показывает, как атмосферы H2 могут расширять зону обитания еще дальше от своих звезд-хозяев", - пишут исследователи.
|
|
|
|
Некоторые из атмосфер, которые они протестировали, вряд ли сохранятся в природе, но результаты по-прежнему имеют научную ценность.
|
|
|
|
"Хотя некоторые из представленных здесь атмосферных сценариев (H2 и CO2 при давлении 1 бар) являются упрощенными и могут не сохраняться в течение геологических периодов времени из-за таких процессов, как выделение водорода и карбонатно-силикатный цикл, они, тем не менее, дают ценную информацию о радиационном воздействии этих газов на обитаемость", - пишут авторы.
|
|
|
|
Мы знаем, что атмосфера чрезвычайно сложна, и это исследование подтверждает это. Это также показывает, насколько устойчивой может быть земная жизнь.
|
|
|
|
"В целом, эти результаты подчеркивают как устойчивость кишечной палочки к адаптации к различным атмосферным условиям, так и критическую роль, которую играет состав атмосферы в определении выживаемости микроорганизмов", - поясняют авторы в своем заключении.
|
|
|
|
Хотя авторы признают, что их выводы основаны на концепции, ориентированной на Землю, результаты имеют более широкое значение. Согласно этим результатам, жизнь, вероятно, могла бы процветать в условиях совершенно иного состава атмосферы.
|
|
|
|
"Таким образом, наше исследование подчеркивает важность состава атмосферы и давления для пригодности для жизни, признавая при этом ограниченность нашей ориентированной на Землю перспективы", - пишут они.
|
|
|
|
"Исследуя как атмосферные условия, так и выживание микроорганизмов, мы получаем более глубокое понимание сложных факторов, влияющих на пригодность для жизни, что прокладывает путь для будущих исследований потенциала жизни за пределами нашей Солнечной системы".
|
|
|
|
Источник
|
