Ученые выясняют, могут ли океанические миры поддерживать жизнь

Фото из открытых источников
Может быть тип экзопланеты без суши. Их называют «гисейские» миры («Гисейский» от англ. слова Hycean, которое объединяет hydrogen (водород) и ocean (океан)). Они в основном или полностью покрыты океанами или имеют толстые водородные атмосферы.
 
Они интригуют, потому что их атмосфера сохраняет их достаточно теплыми, чтобы иметь жидкую воду за пределами традиционных обитаемых зон. Если они существуют, ученые считают, что они являются хорошими кандидатами для поддержания микробной жизни.
 
Миры Hycean являются гипотетическими, но есть некоторые доказательства их существования. Миссия Kepler обнаружила множество кандидатов и предоставила основополагающие доказательства их существования. Однако она не обнаружила ни одного с уверенностью.
 
Совсем недавно наблюдения JWST также подтвердили эту идею. Космический телескоп обнаружил углекислый газ и метан в атмосфере кандидата в Hycean мира под названием K2-18b. Обе эти молекулы могут быть биосигнатурами микробной жизни в условиях, схожих с условиями в океанах Земли.
 
Новое исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, изучает потенциальные миры Hycean для эволюции жизни и то, как жизнь может зависеть от термодинамических условий этих миров. Авторы — Эмили Г. Митчелл и Никку Мадхусудхан из Кембриджского университета.
 
«Поиск внеземной жизни — один из самых фундаментальных квестов в истории человечества», — пишут авторы. «Важным недавним достижением в этом направлении является возможность существования миров Hycean, которые увеличивают как число потенциально пригодных для жизни планет, так и возможность обнаружения биосигнатур в их атмосферах».
 
Исследования показывают, что Hycean Worlds могут обеспечить как химические, так и термодинамические условия, необходимые для микробной жизни, чтобы сохраняться в их океанах. В этом исследовании авторы использовали метаболическую теорию экологии (MTE), чтобы изучить, как простая жизнь может развиваться в Hycean Worlds при различных температурных условиях. Проще говоря, MTE говорит, что скорость метаболизма организма имеет основополагающее значение для его способности сохраняться и процветать. Она применима к индивидуальным процессам, а также к процессам сообщества и популяции. Ключевая идея MTE заключается в том, что температура сильно влияет на скорость метаболизма.
 
Предыдущие исследования показывают, что при повышении температуры в пригодной для жизни среде биологическая активность возрастает до определенного момента. В этом исследовании Митчелл и Мадхусудхан изучают, как температура поверхности океана влияет на земную одноклеточную жизнь и сколько времени требуется им для возникновения на Hycean Worlds. Они также изучают, как различные температуры влияют на обнаруживаемость биосигнатур.
 
«Эта работа, в свою очередь, имеет наблюдаемые последствия для важных биосигнатур на таких планетах, учитывая, что одноклеточный фитопланктон является основным источником ключевых биомаркеров в атмосфере Земли, таких как диметилсульфид, который может наблюдаться в атмосферах гисейского периода», — пишут исследователи в своей статье.
 
Диметилсульфид тесно связан с фитопланктоном и имеет уникальную спектральную сигнатуру, которую JWST может обнаружить в атмосферах экзопланет.
 
Исследователи сосредоточились на нескольких ключевых группах фитопланктона, которые широко распространены на Земле и производят биосигнатурные газы в ее атмосфере. Среди них — цианобактерии (сине-зеленые водоросли), Methanococccea (метаноген) и диатомовые водоросли, которые ежегодно вырабатывают до 50% кислорода Земли. Особое внимание они уделили Aquificota.
 
Aquificota — тип бактерий, названный в честь раннего рода в группе Aquifix. Его представители встречаются в пресной воде и океанах и могут производить воду путем окисления водорода.
 
«Чтобы проиллюстрировать, как эволюционные скорости меняются с температурой в планетарных масштабах времени, мы рассчитали эволюционные скорости для примера организма (Aquifix) за последние 4,3 миллиарда лет», — говорится в статье. Они использовали Aquifix, потому что это сильный аналог для некоторых первых форм жизни на Земле.
 
Исследователи показали, что даже незначительные изменения температуры поверхности океана Земли по сравнению с температурой поверхности в эволюционных временных масштабах существенно меняют время возникновения и скорость эволюции важных видов простой жизни. «Например, увеличение на 10 К относительно Земли приводит к скорости эволюции, которая более чем в два раза выше, в то время как уменьшение на 10 К снижает ее вдвое», — объясняют авторы.
 
Они обнаружили, что более теплые океаны могут ускорить темпы эволюции, позволяя ключевым одноклеточным группам, таким как археи и бактерии, появиться уже через 1,3 миллиарда лет после возникновения жизни. Это указывает на то, что более высокие температуры способствуют более быстрому переходу к сложной жизни. «Этот повышенный темп оказывает значительное влияние на время возникновения одноклеточных групп, так что при увеличении температуры поверхности на 10 К все основные группы возникнут через 1,19 млрд лет после возникновения жизни (OlL), а все ключевые группы фитопланктона — через 1,28 млрд лет», — пишут авторы.
 
Обратное также верно. Исследователи обнаружили, что более низкие температуры задерживают появление ключевых форм жизни на несколько миллиардов лет. Это может означать, что сложной жизни требуется больше времени для появления. «Напротив, снижение средней температуры поверхности на 10 К серьезно ограничивает скорость возникновения, так что к 4 млрд лет после OoL эволюционируют только бактерии и археи, но не кислородный фотосинтез или эукариоты», — пишут авторы.
 
В этом случае это также повлияет на внешний вид наблюдаемых биосигнатур, их интенсивность и простоту обнаружения.
 
Одним из их центральных выводов является то, что только маргинальный диапазон условий окружающей среды допускает большой диапазон эволюционных скоростей и времени возникновения. «Во-первых, учитывая широкий диапазон возможных атмосферных условий в мирах Hycean, можно ожидать столь же широкого разнообразия микробной жизни», — пишут они. «В частности, возникновение новых клад в теплых мирах Hycean может происходить значительно быстрее, чем на Земле».
 
Если хейсейские миры существуют, это исследование предполагает, что они могут «кишеть жизнью», как выразился Карл Саган, в более короткие сроки, чем Земля.
 
Кандидаты в Hycean миры, о которых мы знаем, как полагают, имеют более теплые океаны, чем Земля. Таким образом, в более широком смысле, кандидат Hycean World K2-18 b, которому всего 2,4 миллиарда лет, может иметь условия, необходимые для возникновения и поддержания ключевых одноклеточных групп. Это означает, что он и другие подобные ему являются хорошими целями для поиска биосигнатур.
 
Авторы предлагают несколько оговорок относительно своих результатов. Они рассматривали только довольно узкий диапазон температур и физических условий, основанных на Земле. В действительности, обитаемые внеземные планеты могут демонстрировать гораздо более широкий диапазон. «Будущая работа в этом направлении может изучить ряд других условий, включая влияние гравитации, давления, более существенных колебаний температуры и других факторов окружающей среды», — пишут исследователи.
 
Мы не знаем, реальны ли Hycean Worlds. Некоторые ученые считают, что их богатые водородом атмосферы могут быть нестабильны. Также существуют опасения относительно воздействия радиации, подавляющего жизнь, и атмосферной химии, работающей против биохимических процессов. Пути формирования этих миров также неясны, как и механизмы создания и поддержания их атмосфер.
 
Однако если они действительно существуют, это исследование проясняет одну вещь: при разных температурах поверхности теплая планета может иметь более сложную биосферу в относительно молодом возрасте, а более холодная может иметь более простую биосферу в более позднем возрасте.
 
В конце концов, мы не путешествуем ни в один из этих миров, поэтому задача заключается в обнаружении биосигнатур.
 
«Такие биосферы с разным уровнем сложности могут влиять на возможность обнаружения на них жизни, так что более теплые планеты могут иметь сильные атмосферные биосигнатуры», — заключают исследователи.