На пригодность планеты для жизни влияют многие факторы. К наиболее очевидным из них относятся нахождение в зоне обитаемости звезды и наличие магнитного «щита», защищающего её от радиации. Но есть и другие важные факторы, которые менее очевидны. Новые исследования показывают, что для поддержания жизни на планете необходимо правильное соотношение определённых химических факторов. В частности, при формировании экзопланеты в её ядре должно быть достаточное количество фосфора и азота. А для того, чтобы эти элементы были доступны на поверхности планеты, необходимо наличие кислорода.
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy под названием «Химическая пригодность Земли и каменистых планет для жизни, определяемая формированием ядра». Ведущий автор — Крейг Уолтон, п��стдокторант Центра происхождения и распространённости жизни в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
«Решающим фактором, определяющим пригодность экзопланет для жизни, является наличие таких биологически важных элементов, как азот (N) и фосфор (P), которые способствуют реакциям пребиотической химии и поддерживают жизнь после её появления», — пишут авторы. Азот имеет решающее значение для белков, которые, в свою очередь, имеют решающее значение для клеток. Фосфор является важной частью как ДНК, так и РНК.
Исследователи объясняют, что наличие кислорода и окисление лежат в основе конечной доступности как N, так и P. «Однако концентрации P и N в мантиях планет варьируются в зависимости от первоначальной доступности и условий окисления во время формирования планет, и поэтому оценка их количества и доступности в планетарных средах представляют собой сложную задачу».
Уолтон и его коллеги обратились к моделированию, чтобы понять взаимосвязь между O, N и P в ядре планеты. Они обнаружили, что, подобно тому как у экзопланет есть понятие «зоны обитаемости», то есть нахождение в таком диапазоне расстояний от своей звезды, который позволяет существовать жидкой воде, у экзопланет также есть «химическая зона обитаемости». «Здесь мы используем модель формирования ядра, чтобы показать, что умеренная летучесть кислорода во время формирования ядра является ключевым параметром для наличия этих двух элементов, с существованием узкой „химической зоны обитаемости“, которая позволяет как P, так и N присутствовать в мантии в правильных количествах», — пишут они.
В центре этого исследования находится летучесть кислорода. Летучесть (фугитивность) — это способность вещества переходить в газовую фазу, то есть испаряться. Молекулы кислорода постоянно находятся в движении, и при высоком давлении или низкой температуре молекулы ведут себя по-разному. Летучесть учитывает эти условия и представляет собой т.н. эффективное давление или «стремление» молекулы к улетучиванию. Исследование показывает, что для того, чтобы N и P присутствовали в нужных количествах, летучесть кислорода должна быть оптимальной.
«Во время формирования ядра планеты необходимо, чтобы количество кислорода было точно таким, чтобы фосфор и азот могли оставаться на поверхности планеты», — пояснил ведущий автор Уолтон в пресс-релизе.
«Мы сосредоточиваемся на P и N, потому что считается, что они были строго необходимыми питательными веществами для жизни на протяжении большей части истории Земли и действительно были строго необходимыми факторами в пребиотической химии, которая впервые дала начало жизни», — пишут авторы.
Каменистые планеты, такие как Земля, начинают своё существование как шары из расплавленной породы. В этом состоянии более тяжёлые элементы опускаются вниз, то есть в ядро планеты. Вот почему ядро Земли в основном состоит из железа, а её мантия и кора в основном состоят из более лёгких элементов, таких как кислород и кремний.
Это общая картина, но у неё есть много деталей. Различные химические элементы имеют разную аффинность (силу вз��имодействия атомов или молекул веществ) друг к другу, и некоторые более лёгкие элементы могут притягиваться к ядру, присоединяясь к более тяжёлым элементам. Химические элементы с высокой аффинностью к железу называются сидерофильными элементами. Фосфор является одним из них, и при недостаточном количестве кислорода P присоединяется к железу в виде фосфида железа и опускается в ядро. Однако, однажды связавшись в ядре планеты, он становится недоступным.
При избытке кислорода происходит другой эффект. Фосфор остаётся в мантии, а азот с большей вероятностью улетучивается в атмосферу и, в конечном итоге, в космос.
Моделирование в рамках исследования показывает, что существует лишь очень узкий диапазон содержания кислорода, при котором и азот, и фосфор могут оставаться в мантии каменистой планеты. И, конечно же, Земля находится именно в этом диапазоне.
«Наши модели ясно показывают, что Земля находится именно в этом диапазоне. Если бы во время формирования ядра было чуть больше или чуть меньше кислорода, то для развития жизни не хватило бы фосфора или азота», — сказал Уолтон.
Исследователи называют эту определяющую взаимосвязь «профилем питательных веществ». Он включает в себя общий состав солнечной системы, в которой она сформировалась, то, как общий состав планеты изменяется по сравнению с общим составом системы по мере формирования планеты, и то, как элементы распределяются между ядром, мантией и корой в зависимости от летучести кислорода.
Земля, очевидно, находится в зоне обитаемости. А нашему соседу так не повезло. Моделирование показывает, что на Марсе кислород находился за пределами этой зоны. По мнению авторов, это предопределило судьбу Марса: в его мантии больше фосфора по сравнению с Землёй, но меньше азота. Это означает, что, согласно нашему пониманию того, что необходимо для жизни, у Марса не было шансов.
К сожалению, у нас нет абсолютно точных измерений количества фосфора и азота в мантии Марса. Но исследования наложили некоторые ограничения на их количество. Марсоходы измерили содержание фосфора в марсианских породах и обнаружили уровни, аналогичные земным или немного ниже них. Концентрации азота определены менее точно, но научные оценки показывают, что его явно мало по сравнению с Землёй.
Хотя мы считаем поверхностную воду основным фактором, определяющим пригодность для жизни, это исследование показывает, насколько сложна эта проблема. Экзопланета может поддерживать жидкую поверхностную воду в течение миллиардов лет, что означает, что она находится в предполагаемой зоне обитаемости. Но это не обязательно означает, что она находится в химической зоне обитаемости.
Это исследование вносит важный вклад в продолжающиеся поиски человечеством пригодных для жизни планет. В некоторой степени астрономы могут использовать мощные телескопы для определения химического состава планетной системы, измеряя химический состав звезды. Планеты наследуют свой химический состав от солнечных туманностей. Если звезда имеет химический состав, значительно отличающийся от состава Солнца, то её каменистые планеты вряд ли могут находиться в химической зоне обитаемости.
«Это делает поиск жизни на других планетах гораздо более конкретным, — сказал ведущий автор Уолтон. — Мы должны искать солнечные системы со звёздами, похожими на наше Солнце».
Помимо изучения отдельных звёзд в нашей галактике, эти результаты могут также рассказать нам о перспективах жизни во Вселенной. «Химическая зона обитаемости может иметь значение для понимания распространённости — или редкости — жизни во Вселенной», — пишут авторы.
Мы всё лучше понимаем сложный набор факторов, который делает Землю пригодной для жизни. Размышлять о жизни во Вселенной не так просто – поиски не сводятся к определению планет в зонах обитаемости, планет с поверхностными водами, планет с защитными магнитными щитами, тектоникой плит или даже углеродными циклами.
«Нехватка P и/или N для пребиотической химии может создать препятствие, которое мешает развитию жизни на многих мирах, даже если они в остальном пригодны для жизни; например, виды могут адаптироваться и колонизировать суровую пустыню, но сначала они должны возникнуть где-то в более благоприятных условиях», — объясняют авторы.
Идея о том, что жизнь в других местах неизбежна, основанная исключительно на ошеломляющем количестве планет во Вселенной, постепенно теряет свою акту��льность. В конечном счёте, мы пока не можем делать какие-либо уверенные утверждения. Но это исследование показывает, что планеты, подобные Земле, где миллион различных факторов сложились именно так, как нужно, скорее всего, чрезвычайно редки.
«Земля, по-видимому, представляет собой планету, приблизительно оптимизированную для совместного наличия P и N, необходимых для жизни, что вновь делает её относительно редким примером земного мира, несмотря на то, что она, по-видимому, является совершенно средней по своим общим условиям окисления во время формирования ядра», — пишут авторы. Поиск пригодных для жизни планет нужно сосредоточить на планетах, которые сформировались в условиях, схожих с земными.
«Особое внимание следует уделить оценке летучести кислорода экзопланет во время формирования ядра, что в значительной степени определит содержание фосфора в их мантиях. Эта информация будет иметь решающее значение для интерпретации возможных биосигнатур, связанных с далёкими мирами», — заключают исследователи.
