Ближайшая к Земле инопланетная жизнь безнадежно примитивна: расчеты биологов исключили появление развитых цивилизаций

Когда астрономы находят у далекой звезды землеподобную планету, главный интерес всегда вызывает ее возраст. Если планета находится в так называемой зоне обитаемости (на таком расстоянии от светила, где вода может оставаться жидкой), а ее возраст превышает возраст Земли, в обществе и в научной среде возникает предположение: жизнь там имела достаточно времени, чтобы развиться до многоклеточных или даже разумных форм.

Земле потребовалось около четырех миллиардов лет, чтобы пройти путь от первых одноклеточных микроорганизмов до появления человека. Соответственно, если возраст найденной планеты составляет шесть, семь или восемь миллиардов лет, кажется логичным, что местная биосфера должна была продвинуться гораздо дальше земной.

Однако эволюция организмов подчиняется не астрономическому календарю, а законам поступления и переработки энергии. Время само по себе не порождает новые виды.

Группа астробиологов и климатологов под руководством Кристофера Доути из Университета Северной Аризоны опубликовала в издании International Journal of Astrobiology исследование, в котором предложила принципиально иной подход к оценке эволюционного возраста планет. Ученые рассчитали объем углерода, который биосфера способна переработать в органическое вещество за счет фотосинтеза.

Расчеты показали: на подавляющем большинстве известных землеподобных планет у красных карликов биологические процессы идут настолько медленно, что даже за десятки миллиардов лет жизнь на них не способна преодолеть стадию одноклеточных микроорганизмов.

Механизм: почему объем связанного углерода определяет развитие жизни

В земной биологии хорошо известен факт: в теплых и влажных регионах планеты обитает значительно больше видов живых существ, чем в холодных или засушливых. Биологи объясняют это гипотезой скорости эволюции. Высокая температура ускоряет химические реакции в телах организмов. При наличии достаточного количества воды и света растения производят больше биомассы, животные и микроорганизмы быстрее растут и чаще размножаются. Чем чаще размножаются организмы, тем быстрее сменяются поколения. Каждая новая смена поколений сопровождается случайными генетическими ошибками — мутациями. Больше мутаций дает естественному отбору больше материала для создания новых анатомических структур и физиологических свойств.

Авторы исследования применили этот принцип ко всей планете. Скорость биологической эволюции они определили как прямую функцию от общего числа прожитых на планете жизней. Число прожитых жизней, в свою очередь, напрямую зависит от суммарного количества углерода, переработанного биосферой из углекислого газа в органические соединения. В экологии этот процесс называют чистой первичной продукцией (Net Primary Production, или NPP).

Логическая цепочка строится следующим образом:

1. Доступная радиация светила, влажность и температура определяют годовой объем создаваемого растениями и микробами органического углерода (NPP).
2. Объем органического углерода задает предел общей массы живых существ, которые могут одновременно существовать на планете.
3. Общая масса организмов определяет количество отдельных жизней, сменяющих друг друга за миллионы лет.
4. Суммарное число поколений задает общее количество возникших мутаций.
5. Накопленные мутации приводят к крупным эволюционным скачкам: появлению фотосинтеза с выделением кислорода, образованию сложных клеток с ядром, возникновению многоклеточных животных, выходу растений на сушу и формированию нервной системы высокой сложности.

Если планета получает мало пригодного для фотосинтеза света или страдает от нехватки осадков, она связывает мало углерода в год. Биосфера производит мало биомассы, смена поколений происходит редко, мутации накапливаются медленно. В результате эволюция растягивается на астрономические сроки, многократно превышающие возраст Вселенной.

Сколько углерода потребовалось Земле

Чтобы получить точку отсчета, исследователи рассчитали историю связывания углерода на Земле с момента появления жизни до наших дней.

Земля существует около 4,5 миллиарда лет. Первые следы микроорганизмов датируются возрастом примерно 3,7-4,2 миллиарда лет назад. В течение большей части своей истории земная жизнь была представлена исключительно одноклеточными формами:

• В архейский эон (первый миллиард лет существования жизни) фотосинтез был преимущественно бескислородным. Он обладал низкой эффективностью. Биосфера Земли связывала в среднем лишь около 2,5 миллиарда тонн (петаграмм) углерода в год.
• В протерозойский эон (следующие два миллиарда лет) океаны оставались бедны питательными веществами, а суша была необитаема. Продуктивность планеты составляла приблизительно 10 миллиардов тонн углерода в год.

За первые три миллиарда лет своего существования земные микроорганизмы связали в сумме 2,4 x 10²⁵ граммов углерода. Это число ученые приняли за порог, необходимый для перехода от одноклеточных форм к простым многоклеточным организмам (первые многоклеточные животные, такие как губки, появились на Земле около 600-700 миллионов лет назад).

Решающий скачок произошел около 500 миллионов лет назад, когда растения вышли на континенты. Появление сосудистых растений (имеющих проводящие ткани для транспортировки воды и солей) кардинально изменило углеродный цикл. Продуктивность суши выросла многократно. Современная земная биосфера производит около 100 миллиардов тонн связанного углерода ежегодно. При этом половина этого объема приходится на наземные растения, а вторая половина — на океанический фитопланктон.

Благодаря растениям за последние 500 миллионов лет биосфера связала дополнительно 7,0 x 10²⁵ граммов углерода.

В общей сложности к моменту появления человека разумного Земля накопила около 9,4 x 10²⁵ граммов связанного углерода. Это базовое значение авторы использовали как критерий: если экзопланета за время своего существования связала меньше 2,4 x 10²⁵ граммов, жизнь на ней остается исключительно одноклеточной. Если показатель превышает эту величину, возможно появление многоклеточных существ. Если же накопленный углерод превышает 9,4 x 10²⁵ граммов, на планете было достаточно биохимических событий для возникновения сложной фауны и интеллекта.

Физические ограничения системы TRAPPIST-1e

Одной из главных целей исследования стала планета TRAPPIST-1e. Она вращается вокруг ультрахолодного красного карлика в созвездии Водолея на расстоянии 40 световых лет от нас.

Планета обладает радиусом 0,92 от земного, плотностью, близкой к земной, и находится на таком удалении от звезды, которое допускает существование жидкой воды. Средний расчетный возраст системы TRAPPIST-1 составляет 7,6 миллиарда лет (с погрешностью в 2,2 миллиарда лет). Это значит, что TRAPPIST-1e старше Земли на целых 3 миллиарда лет.

Исследователи применили трехмерные климатические модели циркуляции атмосферы (ExoCAM и UM), созданные в рамках международного проекта THAI, и наложили на них формулы расчета первичной биопродуктивности. Результаты показали, что климат планеты создает жесткие барьеры для живых организмов.

Факторы, ограничивающие фотосинтез на планете TRAPPIST-1e:

1. Приливный захват: 50% поверхности находится в вечной ночной тьме (продуктивность = 0).
2. Распределение влаги: восходящие потоки воздуха концентрируют осадки строго в подзвездной точке на дневном полушарии. На остальной территории суши формируются постоянные засушливые зоны. В итоге на 62% поверхности планеты фотосинтез невозможен.
3. Поглощение инфракрасного излучения водой: звезда излучает преимущественно в диапазоне 700-1100 нм. Вода почти полностью поглощает эти волны в поверхностном слое. В глубине океана освещенность близка к нулю (продуктивность моря составляет всего 4 млрд тонн углерода в год против 50 млрд на Земле).

Планета находится в синхронном вращении (приливном захвате). Она совершает один оборот вокруг оси за то же время, за которое делает оборот вокруг звезды. По этой причине планета всегда повернута к светилу одной стороной.

На темной половине TRAPPIST-1e свет отсутствует полностью. Там не может происходить фотосинтез, поэтому половина площади планеты сразу исключается из выработки биомассы.

На дневной стороне климат распределяется радиально от центральной подзвездной точки, где звезда всегда стоит в зените. В этой точке атмосфера сильно нагревается, влага испаряется и поднимается вверх, формируя мощный слой облаков и непрерывные ливни.

Однако за пределами центральной области воздух опускается обратно к поверхности, будучи уже сухим. Из-за этого подавляющая часть дневных континентов страдает от жестокой нехватки осадков. В модели с нормальным содержанием углекислого газа (400 ppm CO₂) 62% поверхности планеты имеет нулевую продуктивность биомассы: там либо нет света, либо нет дождей.

Даже если допустить, что 30% планеты занимает суша, а 70% — океан, суммарная годовая выработка органического углерода на TRAPPIST-1e составит от 3 до 17 миллиардов тонн в год (в зависимости от сценария облачности и температуры), тогда как Земля вырабатывает 100 миллиардов тонн.

Чтобы накопить земной объем связанного углерода (9,4 x 10²⁵ граммов), планете TRAPPIST-1e при ее текущей продуктивности потребуется не менее 18 миллиардов лет.

Поскольку ее реальный возраст составляет лишь 7,6 миллиарда лет, эволюция на этой планете отстает от земной более чем на 14 миллиардов лет. За прошедшее время биосфера TRAPPIST-1e смогла произвести объем биомассы, недостаточный даже для завершения микробного этапа. Жизнь на ней, если она существует, представлена только одноклеточными микроорганизмами.

Физика света: видимый диапазон против инфракрасного

Второй фундаментальный фактор отставания экзопланет связан с качеством излучения красных карликов.

На Земле растения и цианобактерии используют для фотосинтеза видимый свет с длиной волны от 400 до 700 нанометров. Фотон этого диапазона несет достаточно энергии, чтобы запустить химическую реакцию расщепления воды и фиксации углерода при участии двух фотосистем.

Красные карлики — относительно холодные звезды. Максимум их излучения приходится на ближний инфракрасный диапазон — от 700 до 1100 нанометров. Энергия одного инфракрасного фотона существенно ниже энергии фотона видимого света:

• Видимый свет (400-700 нм): фотон высокой энергии — достаточно двух фотонов для расщепления молекулы воды.
• Ближний инфракрасный свет (700-1100 нм): фотон низкой энергии — требуется каскад из трех или четырех фотонов для реакции.

Земные бактерии способны использовать инфракрасный свет до 1020 нанометров, но они осуществляют бескислородный фотосинтез, который фиксирует мало углерода и требует присутствия в среде сероводорода или водорода.

Чтобы осуществить высокоэффективный кислородный фотосинтез на инфракрасном излучении, организмам потребовалось бы объединить в сложный комплекс не две фотосистемы, а три или четыре. Это крайне сложная биохимическая конструкция, независимое возникновение которой маловероятно.

Если гипотетическая жизнь на экзопланетах способна воспринимать только видимый свет (до 700 нанометров), продуктивность падает в разы. В таком сценарии планете TRAPPIST-1e для достижения земного эволюционного уровня потребовалось бы от 84 до 114 миллиардов лет. Это в 6-8 раз превышает нынешний возраст самой Вселенной.

Оценка 29 планет и несостоятельность индекса подобия Земле

Авторы работы распространили методику на 29 каменистых экзопланет, входящих в каталог потенциально обитаемых миров Habitable Worlds Catalog. Все эти планеты имеют радиус от 0,5 до 1,6 радиуса Земли и получают от своих звезд умеренное количество тепла.

Исследование показало, что используемый в астрономии индекс подобия Земле (Earth Similarity Index, ESI) не дает представления о реальном биологическом статусе планеты. Индекс ESI рассчитывается исключительно по геофизическим параметрам: радиусу, массе и температуре на границе атмосферы.

Яркий пример расхождения — планета Звезда Тигардена b. Она находится на расстоянии 12,5 световых лет от нас и имеет самый высокий индекс подобия Земле в исследованной группе — 0,95. Однако по общему объему связанного углерода она достигает только 70% от земного уровня.

Ее биосфера не выработала достаточного объема биомассы, чтобы породить сложных наземных животных. Максимум, на который способна эта планета при ее текущем объеме зафиксированного углерода, — примитивные многоклеточные организмы в воде.

Из 29 изученных планет только две преодолели порог накопленного углерода, характерный для современной Земли: K2-3d (1,74 от земного уровня) и GJ 1061c (1,03 от земного уровня).

Они вырвались вперед благодаря физическим характеристикам: обе планеты заметно крупнее Земли (что дает им большую площадь поверхности для поглощения света), они старше и получают больше радиации от своих светил.

Однако детальный анализ накладывает жесткие ограничения и на этих двух лидеров:

1. Проблема радиуса K2-3d. Радиус планеты составляет 1,46 земного. Согласно последним астрофизическим данным, объекты такого размера почти всегда представляют собой субнептуны — планеты с твердым ядром, окруженным протяженной водородно-гелиевой оболочкой со сверхвысоким давлением. Жизнь земного типа на их поверхности существовать не может.
2. Проблема температурного барьера. На планете GJ 1061c расчетная средняя температура составляет 37 градусов Цельсия, а в подзвездной области она значительно выше. При температуре выше 35-40 градусов органические молекулы белков теряют устойчивость, а ферменты фотосинтеза разрушаются. Когда ученые ввели в модель порог ограничения продуктивности при температуре в 35 градусов, выработка органического углерода на K2-3d и GJ 1061c упала более чем в два раза. Это вернуло их обратно на ранние ступени эволюции.

Большинство же остальных изученных миров, включая ближайшую к нам планету Проксима Центавра b (0,13 от земного объема углерода), оказались далеко позади Земли. Их биологический прогресс строго ограничен низким притоком световой энергии и дефицитом воды на суше.

Данные телескопа «Джеймс Уэбб»

Единственным сценарием, при котором на планетах у красных карликов могла бы развиться высокая продуктивность, ученые называют наличие очень плотной атмосферы из углекислого газа с давлением около одного бара (как на ранней Земле).

Углекислый газ создает мощный парниковый эффект. Он равномерно распределяет тепло по планете, предотвращает замерзание атмосферы на ночной стороне и резко увеличивает количество осадков. В таком гипотетическом сценарии (модель Hab2) продуктивность TRAPPIST-1e возрастает до 59 миллиардов тонн углерода в год, что позволило бы планете преодолеть многоклеточный порог.

Но практические наблюдения опровергают этот сценарий. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» провел спектроскопические замеры атмосфер планет системы TRAPPIST-1:

• Планета TRAPPIST-1b оказалась полностью лишена атмосферы.
• На планете TRAPPIST-1c зафиксировано отсутствие плотной оболочки из углекислого газа; если атмосфера там и есть, она крайне разрежена.
• Предварительные спектры для TRAPPIST-1e также исключили наличие протяженной атмосферы, богатой водородом или плотным углекислым газом.

Активность молодых красных карликов сопровождается мощными вспышками и потоками звездного ветра, которые сдувают первичные газовые оболочки планет. Без плотной атмосферы планеты остаются сухими и холодными, что подтверждает базовую модель низкой продуктивности: жизнь там не имеет физических условий для интенсивного фотосинтеза.

Выводы для космических исследований

Результаты исследования Доути и его коллег меняют критерии отбора целей для поиска внеземной жизни:

1. Бесперспективность поиска техносигнатур у красных карликов. Попытки уловить радиосигналы искусственного происхождения, оптические лазерные вспышки или обнаружить следы индустриального загрязнения атмосферы в системах маломассивных звезд практически обречены на неудачу. Ограниченный баланс энергии не позволяет местным формам жизни накопить мутационный фонд, необходимый для создания сложных животных и разумных видов.
2. Пересмотр ценности индекса подобия Земле. Высокое значение ESI указывает лишь на схожесть размеров и температуры, но не отражает объем биомассы, который планета производит. Для астробиологии ключевым параметром становится не геометрия орбиты, а годовая чистая первичная продуктивность.
3. Фокус на звездах солнечного типа. Звезды классов F и G живут значительно меньше красных карликов — от трех до десяти миллиардов лет. Однако спектральный состав их излучения (высокая доля видимого света), отсутствие приливного захвата и широкие зоны умеренных осадков позволяют планетам развить высокую продуктивность биосферы с первых этапов существования.

Жизнь как химическое явление может быть распространена во Вселенной широко. Однако подавляющее большинство биосфер на близких к нам экзопланетах лишено достаточного потока световой энергии и влаги. Эти миры существуют миллиарды лет, но из-за крайне низкой скорости накопления органического углерода навсегда остаются на стадии микроскопических одноклеточных сообществ.

Источник: International Journal of Astrobiology