Земля — единственная известная нам планета, поддерживающая жизнь, поэтому возникает соблазн использовать ее в качестве стандарта при поиске жизни в других местах. Но современная Земля не может служить основой для оценки экзопланет и их потенциала поддержания жизни. Атмосфера Земли радикально изменилась за 4,5 миллиарда лет ее существования.
Лучший способ — определить, какие биомаркеры присутствовали в атмосфере Земли на разных этапах ее эволюции, и на этом основании судить о других планетах.
Именно это и сделала группа исследователей из Великобритании и США. Их исследование называется «Ранняя Земля как аналог экзопланетной биогеохимии» и опубликовано в «Обзорах по минералогии». Ведущий автор — Ева Э. Стюкен, аспирантка Школы наук о Земле и окружающей среде Университета Сент-Эндрюс, Великобритания.
Когда Земля сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, ее атмосфера не была такой, как сегодня. В то время атмосфера и океаны были бескислородными. Около 2,4 миллиарда лет назад свободный кислород начал накапливаться в атмосфере во время Великого события оксигенации, одного из определяющих периодов в истории Земли. Но кислород произошел из самой жизни, а это означает, что жизнь присутствовала, когда атмосфера Земли сильно отличалась.
Это не единственный пример того, как атмосфера Земли изменилась за геологическое время. Но это поучительно и показывает, почему поиск жизни означает нечто большее, чем просто поиск атмосферы, подобной современной Земле. Если бы мы проводили поиск именно так, мы бы пропустили миры, где фотосинтез еще не появился.
В своем исследовании авторы указывают на то, что на Земле в течение миллиардов лет существовала богатая и развивающаяся популяция микробов в различных атмосферных условиях.
«Большую часть этого времени Земля была населена чисто микробной биосферой, хотя со временем ее сложность, по-видимому, возрастала», — пишут авторы. «Таким образом, богатые данные об этой геобиологической эволюции на протяжении большей части истории Земли дают представление об отдаленной возможности обнаружения микробной жизни в различных планетарных условиях».
Не только жизнь изменилась со временем. Тектоника плит изменилась и, возможно, долгое время оставалась тектоникой «застойной крышки». В застойной тектонике крышки плиты не движутся горизонтально. Это может иметь последствия для химии атмосферы.
Суть в том, что атмосфера Земли не отражает солнечную туманность, в которой образовалась планета. Множественные переплетающиеся процессы со временем изменили атмосферу. Поиск жизни предполагает не только лучшее понимание этих процессов, но и определение того, на какой стадии могут находиться экзопланеты.
То, что биологические процессы могут оказывать существенное влияние на планетарные атмосферы, является аксиомой. «На современной Земле состав атмосферы очень сильно контролируется жизнью», — пишут исследователи. «Однако любая потенциальная биосигнатура атмосферы должна быть отделена от фона абиотических (геологических и астрофизических) процессов, которые также способствуют формированию планетарных атмосфер и будут доминировать на безжизненных мирах и на планетах с очень маленькой биосферой».
Авторы излагают, по их словам, самые важные уроки, которые ранняя Земля может преподать нам в поисках жизни.
Во-первых, на протяжении всей своей долгой истории Земля имела три разные атмосферы. Первый произошел из солнечной туманности и был потерян вскоре после формирования планеты. Это основная атмосфера. Второй образовался в результате газовыделения недр планеты. Третья, современная атмосфера Земли, сложна. Это балансирующий акт, включающий жизнь, тектонику плит, вулканизм и даже побег из атмосферы. Лучшее понимание того, как атмосфера Земли менялась с течением времени, дает исследователям лучшее понимание того, что они видят в атмосферах экзопланет.
Во-вторых, чем дальше мы оглядываемся назад во времени, тем больше изменяются или уничтожаются каменные летописи ранней жизни Земли. Наши лучшие данные свидетельствуют о том, что жизнь существовала 3,5 миллиарда лет назад, а может быть, даже 3,7 миллиарда лет назад. Если это так, то первая жизнь могла существовать на планете, покрытой океанами, где не было континентальной суши и были только вулканические острова. Если бы между 3,5 и 3,7 миллиарда лет назад наблюдалась обильная вулканическая и геологическая активность, были бы большие потоки CO2 и H2. Поскольку это субстраты метаногенеза, метан мог быть в изобилии в атмосфере и его можно было обнаружить.
Третий урок, который излагают авторы, заключается в том, что на планете может существовать жизнь, производящая кислород, в течение длительного времени, прежде чем кислород можно будет обнаружить в атмосфере. Ученые полагают, что кислородный фотосинтез появился на Земле в середине архейского эона. Архейский период длился от 4 до 2,5 миллиардов лет назад, поэтому средний архей приходится примерно на 3,25 миллиарда лет назад. Но кислород не мог накапливаться в атмосфере до Великого события оксигенации, произошедшего около 2,4 миллиарда лет назад. Кислород — мощный биомаркер, и если мы обнаружим его в атмосфере экзопланеты, это станет поводом для волнения. Но жизнь на Земле существовала задолго до того, как можно было обнаружить атмосферный кислород.
Четвертый урок посвящен возникновению тектоники горизонтальных плит и ее влиянию на химию. «Начиная с GOE, Земля выглядела тектонически похожей на сегодняшнюю», — пишут авторы. Океаны, вероятно, были расслоены на бескислородный слой и насыщенный кислородом поверхностный слой. Однако гидротермальная деятельность постоянно приносила в океаны двухвалентное железо. Это увеличило уровень сульфатов в морской воде, что привело к снижению содержания метана в атмосфере. Без этого метана биосферу Земли было бы гораздо труднее обнаружить. Сложно, да?
«Планета Земля развилась за последние 4,5 миллиарда лет из полностью бескислородной планеты.
с, возможно, другим тектоническим режимом, чем в насыщенном кислородом мире с горизонтальной плитой
тектоника, которую мы знаем сегодня», — поясняют авторы. Вся эта сложная эволюция позволила жизни появиться и процветать, но она также усложняет обнаружение более ранних биосфер на экзопланетах.
Мы находимся в невыгодном положении в поисках жизни на экзопланетах. Мы можем буквально копаться в древней скале Земли, чтобы попытаться распутать долгую историю жизни на Земле и то, как атмосфера развивалась на протяжении миллиардов лет. Когда дело доходит до экзопланет, все, что у нас есть, — это телескопы. Все более мощные телескопы, но тем не менее телескопы. В то время как мы начинаем исследовать нашу Солнечную систему, особенно Марс и манящие океанские спутники, вращающиеся вокруг газовых гигантов, другие солнечные системы находятся за пределами нашей физической досягаемости.
«Вместо этого мы должны дистанционно распознать присутствие инопланетных биосфер и охарактеризовать их биогеохимические циклы в планетарных спектрах, полученных с помощью больших наземных и космических телескопов», — пишут авторы. «Эти телескопы могут исследовать состав атмосферы, обнаруживая особенности поглощения, связанные с конкретными газами». Как показывает JWST, исследование атмосферных газов — наш самый мощный подход на данный момент.
Но когда учёные получат более совершенные инструменты, они начнут выходить за рамки химии атмосферы. «Мы также могли бы распознавать особенности поверхности глобального масштаба, включая взаимодействие света с фотосинтетическими пигментами и «блеск», возникающий в результате зеркального отражения света жидким океаном».
Понимание того, что мы видим в атмосферах экзопланет, соответствует нашему пониманию долгой истории Земли. Земля может стать ключом к нашему расширяющемуся и ускоряющемуся поиску жизни.
«Раскрытие деталей сложной биогеохимической истории Земли и ее взаимосвязи с дистанционно наблюдаемыми спектральными сигналами является важным фактором для проектирования приборов и наших собственных поисков жизни во Вселенной», — пишут авторы.
