Нам и всем остальным сложным существам для развития необходима стабильность. Планетарные условия должны были быть благоприятными и долговечными, чтобы такие существа, как мы и наши многоклеточные собратья, могли появиться и выжить. На Земле химический цикл обеспечивает большую часть необходимой стабильности.
Химический круговорот между землей, атмосферой, формами жизни и океанами чрезвычайно сложен и труден для изучения. Обычно исследователи пытаются выделить один цикл и изучить его. Тем не менее, новые исследования изучают химический цикл Земли более целостно, чтобы попытаться понять, как планета так долго оставалась в «золотой зоне».
На Земле существовала сложная жизнь на протяжении сотен миллионов лет, а возможно, и более миллиарда лет. Насколько мы можем судить, это крайне редко. Подавляющее большинство обнаруженных нами экзопланет не находятся в обитаемых зонах своих звезд. У них очень мало шансов на существование какой-либо жизни, не говоря уже о сложной жизни.
Вполне возможно, что некоторые планеты испытывают период стабильности в течение гораздо более коротких периодов времени, чем Земля. Это может описывать Марс. На ней было тепло и влажно, и на ней могла бы существовать простая жизнь, но планета потеряла большую часть своей атмосферы и стала непригодной для жизни. Теперь здесь холодно, сухо и мертво.
Земля активно перемещает химические элементы через различные системы и делала это на протяжении миллиардов лет. Сейчас, примерно через 4,5 миллиарда лет после его образования, на нашей драгоценной планете полно жизни. Биогеохимические циклы, такие как цикл углерода, цикл азота и цикл метана, позволили планете сохранить свою обитаемость.
Новое исследование, опубликованное в «Записках Национальной академии наук», рассматривает эти циклы целостно, надеясь лучше понять взаимосвязи между ними. Исследование: «Баланс и дисбаланс в биогеохимических циклах отражают работу замкнутых, обменных и открытых множеств». Ведущий автор — Престон Косслетт Кемени, научный сотрудник Чемберлена Чикагского университета.
«В целом, эта работа обеспечивает систематическую концептуальную основу
для понимания баланса и дисбаланса в глобальных биогеохимических циклах».Из «Равновесие и дисбаланс в биогеохимических циклах отражают работу замкнутых, обменных и открытых множеств».
Углеродный цикл Земли играет доминирующую роль в климате. По мере накопления углерода в атмосфере планета нагревается. Поскольку углерод поглощается мантией, планета охлаждается. Несмотря на то, что в течение длительного времени она оставалась стабильной, исследования показывают, что небольшие дисбалансы могут расстроить систему.
Кемени и его коллеги хотели вернуться к основам. Они хотели определить структуру всех реакций, как больших, так и малых, составляющих химические циклы Земли. Отличие их работ в том, что они не указали, как они все работали вместе, работали ли они вместе и насколько сильно они влияли друг на друга.
«Наш подход обеспечивает новый способ определения фундаментальных строительных блоков стабильности химических компонентов климата Земли — основных способов, с помощью которых климат может стабилизироваться в течение геологического времени благодаря движению элементов через океан, атмосферу и горные породы. водохранилищ», — сказал Кемени.
Исследователи описывают свои усилия как «агностические» и объясняют, что они создают «… систематическую и упрощенную концептуальную основу для понимания функции и эволюции глобальных биогеохимических циклов». Они называют его агностическим, потому что он не определяет взаимосвязь между условиями окружающей среды и силой биогеохимических процессов. «Оставаясь агностиками в отношении взаимосвязей между условиями окружающей среды и интенсивностью биогеохимических процессов, мы стремились распознать и систематизировать закономерности, лежащие в основе стабильности циклов основных элементов», — объясняет Кемени на своем веб-сайте.
«Это элегантный и упрощенный способ подумать об огромной проблеме, который объединяет множество предыдущих исследований элементарных циклов в пакеты химических реакций, которые можно сбалансировать и понять», — сказала доцент Чикагского университета Клара Блаттлер, старший автор бумага.
Сложность земных циклов затрудняет их изучение. Они работают в длительных геологических временных рамках, что ставит нас в невыгодное положение. Углеродный цикл планеты иллюстрирует это.
Движение углерода играет важную роль в регулировании климата планеты. Когда углекислый газ накапливается в атмосфере, она удерживает больше тепла, что нагревает океаны. Однако углерод также создает слабую кислоту, называемую угольной кислотой, которая быстрее разрушает камни. Углерод в конечном итоге попадает на дно океана и задерживается в горных породах. Углерод также может некоторое время находиться в составе живых существ, прежде чем он будет поглощен горными породами или ископаемым топливом. Эта секвестрация углерода в конечном итоге приводит к охлаждению планеты, но на это уходят миллионы лет. Углерод в конечном итоге возвращается в атмосферу из-за вулканов и сжигания ископаемого топлива.
Попытка понять углеродный цикл осложняется его взаимодействием с другими циклами. Циклы Земли также не статичны. Они меняются со временем, усложняя задачу. Есть также недостающие части большой головоломки земных циклов. Исследователи вынуждены делать предположения, чтобы заполнить пробелы.
Кемени посвящает большую часть своего времени пониманию земных циклов, и он и его коллеги надеются, что их подход может дать лучшие результаты. «Модели глобальных циклов элементов направлены на то, чтобы понять, как биогеохимические процессы и условия окружающей среды взаимодействуют для поддержания обитаемости планеты», — пишет Кемени на своем веб-сайте. «Однако результаты таких моделей часто отражают конкретные интерпретации геохимических архивов».
Исследователи полагают, что их подход может помочь преодолеть препятствия на пути к пониманию земных циклов. Они использовали математический анализ, чтобы разработать структуру, определяющую все основные и второстепенные циклы, которые способствуют долгосрочной обитаемости Земли путем балансировки углеродного цикла.
Результатом стал новый, более целостный взгляд на Землю. Климат может быть представлен большим набором взаимосвязанных химических уравнений. Эти уравнения должны сбалансироваться в течение определенных периодов времени, чтобы сохранить стабильность углеродного цикла и сделать Землю пригодной для жизни.
Кемени выделяет один эпизод в истории климата Земли, чтобы проиллюстрировать эту мысль. Кайнозойская эра началась около 65,5 миллионов лет назад и является эрой, в которой мы живем сейчас. Кайнозой — это долгосрочная тенденция похолодания в истории Земли, а период, который ему предшествовал, был парниковым климатом. Кемени и его коллеги говорят, что их целостный подход может открыть окно в то, как изменился климат.
«Например, предположим, что вы рассматриваете гипотезу о том, почему климат изменился в прошлом – например, о сильном похолодании за последние 65 миллионов лет», – сказал Кемени. «Вы можете взять эту структуру и использовать ее, чтобы сказать: ну, если процесс X увеличился или уменьшился, то он также должен был вызвать Y, или его нужно было бы уравновесить Z, и что вы должны учитывать эти результаты. — так что с этим предсказанием мы можем искать доказательства совместной работы всей геохимической системы».
Астробиология и обитаемость планет являются ключевыми темами космической науки. С помощью JWST и других будущих обсерваторий и телескопов ученые смогут взглянуть на атмосферы далеких экзопланет. Но это трудный процесс, который усложняется нашим неполным пониманием пригодности нашей планеты для жизни. Понимание нашей собственной планеты может помочь нам лучше понять экзопланеты.
Но есть определенная радость в понимании Земли ради нее самой, и этот новый целостный подход должен расширить наше понимание.
«Мы надеемся, что это прекрасный способ помочь понять все химические процессы, которые участвуют в превращении Земли в безопасное место для развития жизни», — сказал Блаттлер.
«В целом, эта работа обеспечивает систематическую концептуальную основу для понимания баланса и дисбаланса в глобальных биогеохимических циклах», — заключают авторы.
