Kemungkinan kehidupan di planet akuatik

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Sebagian besar planet yang kita ketahui massanya lebih besar dari Bumi, tetapi lebih kecil dari Saturnus. Paling sering, di antara mereka ada "mini-neptunus" dan "bumi super" - objek yang beberapa kali lebih besar dari planet kita. Penemuan-penemuan beberapa tahun terakhir memberikan semakin banyak alasan untuk percaya bahwa super-Bumi adalah planet yang komposisinya sangat berbeda dari kita. Selain itu, ternyata planet-planet terestrial di sistem lain cenderung berbeda dari Bumi dalam elemen dan senyawa ringan yang jauh lebih kaya, termasuk air. Dan itulah alasan bagus untuk bertanya-tanya seberapa cocok mereka untuk hidup.

Perbedaan yang disebutkan di atas antara bekas bumi dan Bumi dijelaskan oleh fakta bahwa tiga perempat dari semua bintang di Semesta adalah katai merah, bintang-bintang yang jauh lebih kecil daripada Matahari. Pengamatan menunjukkan bahwa planet-planet di sekitar mereka sering berada di zona layak huni - yaitu, di mana mereka menerima energi yang hampir sama dari bintangnya seperti Bumi dari Matahari. Selain itu, seringkali ada sangat banyak planet di zona layak huni katai merah: di "sabuk Goldilocks" bintang TRAPPIST-1, misalnya, ada tiga planet sekaligus.

Dan ini sangat aneh. Zona layak huni katai merah terletak pada jutaan kilometer dari bintang, dan bukan 150-225 juta, seperti di tata surya. Sementara itu, beberapa planet sekaligus tidak dapat terbentuk dalam jutaan kilometer dari bintangnya - ukuran piringan protoplanetnya tidak memungkinkan. Ya, katai merah memilikinya kurang dari satu kuning, seperti Matahari kita, tetapi tidak seratus atau bahkan lima puluh kali.

Situasi ini semakin diperumit oleh fakta bahwa para astronom telah belajar untuk kurang lebih secara akurat "menimbang" planet-planet di bintang-bintang yang jauh. Dan ternyata jika kita menghubungkan massa dan ukurannya, ternyata kepadatan planet-planet seperti itu dua atau bahkan tiga kali lebih kecil dari Bumi. Dan ini, pada prinsipnya, tidak mungkin jika planet-planet ini terbentuk dalam jutaan kilometer dari bintangnya. Karena dengan pengaturan yang sedemikian dekat, radiasi termasyhur seharusnya benar-benar mendorong sebagian besar elemen cahaya keluar.

Inilah yang terjadi di tata surya, misalnya. Mari kita lihat Bumi: ia terbentuk di zona layak huni, tetapi air dalam massanya tidak lebih dari seperseribu. Jika kepadatan sejumlah dunia dalam katai merah dua hingga tiga kali lebih rendah, maka air di sana tidak kurang dari 10 persen, atau bahkan lebih. Artinya, seratus kali lebih banyak daripada di Bumi. Akibatnya, mereka terbentuk di luar zona layak huni dan baru kemudian bermigrasi ke sana. Mudah bagi radiasi bintang untuk menghilangkan elemen cahaya dari zona piringan protoplanet yang dekat dengan termasyhur. Tetapi jauh lebih sulit untuk menghilangkan planet siap pakai yang telah bermigrasi dari bagian yang jauh dari piringan protoplanet elemen ringan - lapisan bawah di sana dilindungi oleh lapisan atas. Dan kehilangan air pasti agak lambat. Sebuah super-bumi yang khas di zona layak huni tidak akan bisa kehilangan bahkan setengah dari airnya, dan selama seluruh keberadaan, misalnya, tata surya.

Jadi, bintang paling masif di Semesta seringkali memiliki planet yang banyak mengandung air. Ini, kemungkinan besar, berarti bahwa ada lebih banyak planet seperti itu daripada seperti Bumi. Karena itu, ada baiknya untuk mencari tahu apakah di tempat-tempat seperti itu ada kemungkinan munculnya dan perkembangan kehidupan yang kompleks.

Butuh lebih banyak mineral

Dan di sinilah masalah besar dimulai. Tidak ada analog dekat dari super-bumi dengan sejumlah besar air di tata surya, dan dengan tidak adanya contoh yang tersedia untuk pengamatan, para ilmuwan planet benar-benar tidak memiliki apa-apa untuk memulai. Kita harus melihat diagram fase air dan mencari tahu parameter apa yang akan digunakan untuk berbagai lapisan planet oceanid.

Diagram fase keadaan air. Modifikasi es ditunjukkan dengan angka Romawi. Hampir semua es di Bumi termasuk dalam kelompok I_H, dan fraksi yang sangat kecil (di atmosfer atas) - hingga I_C… Gambar: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Ternyata jika ada 540 kali lebih banyak air di sebuah planet seukuran Bumi daripada di sini, maka itu akan sepenuhnya ditutupi oleh lautan dengan kedalaman lebih dari seratus kilometer. Di dasar lautan seperti itu, tekanannya akan sangat besar sehingga es dari fase seperti itu akan mulai terbentuk di sana, yang tetap padat bahkan pada suhu yang sangat tinggi, karena air tetap padat oleh tekanan yang sangat besar.

Jika dasar lautan planet ditutupi dengan lapisan es yang tebal, air cair akan kehilangan kontak dengan batuan silikat padat. Tanpa kontak seperti itu, mineral-mineral di dalamnya, pada kenyataannya, tidak akan ada sumbernya. Parahnya, siklus karbon akan terganggu.

Mari kita mulai dengan mineral. Tanpa fosfor, kehidupan - dalam bentuk yang kita ketahui - tidak mungkin, karena tanpanya tidak ada nukleotida dan, karenanya, tidak ada DNA. Akan sulit tanpa kalsium - misalnya, tulang kita terdiri dari hidroksilapatit, yang tidak dapat dilakukan tanpa fosfor dan kalsium. Masalah dengan ketersediaan elemen tertentu terkadang muncul di Bumi. Sebagai contoh, di Australia dan Amerika Utara di sejumlah tempat tidak ada aktivitas vulkanik yang berlangsung lama dan di tanah di beberapa tempat ada kekurangan selenium yang parah (ini adalah bagian dari salah satu asam amino, yang diperlukan untuk kehidupan). Dari sini, sapi, domba dan kambing kekurangan selenium, dan terkadang ini menyebabkan kematian ternak (penambahan selenite ke pakan ternak di Amerika Serikat dan Kanada bahkan diatur oleh undang-undang).

Beberapa peneliti menyarankan bahwa faktor ketersediaan mineral saja harus membuat lautan-planet gurun biologis yang nyata, di mana kehidupan, jika ada, sangat langka. Dan kita tidak sedang berbicara tentang bentuk yang sangat kompleks.

AC rusak

Selain kekurangan mineral, para ahli teori telah menemukan masalah potensial kedua dari planet-samudra - bahkan mungkin lebih penting daripada yang pertama. Kita berbicara tentang malfungsi dalam siklus karbon. Di planet kita, dia adalah alasan utama keberadaan iklim yang relatif stabil. Prinsip siklus karbon sederhana: ketika planet menjadi terlalu dingin, penyerapan karbon dioksida oleh batuan melambat tajam (proses penyerapan seperti itu berlangsung cepat hanya di lingkungan yang hangat). Pada saat yang sama, "persediaan" karbon dioksida dengan letusan gunung berapi berjalan dengan kecepatan yang sama. Ketika ikatan gas berkurang dan suplai tidak berkurang, konsentrasi CO₂ secara alami meningkat. Planet-planet, seperti yang Anda tahu, berada dalam ruang hampa antarplanet, dan satu-satunya cara kehilangan panas yang signifikan bagi mereka adalah radiasinya dalam bentuk gelombang inframerah. Karbon dioksida menyerap radiasi semacam itu dari permukaan planet, itulah sebabnya atmosfer sedikit menghangat. Ini menguapkan uap air dari permukaan air lautan, yang juga menyerap radiasi inframerah (gas rumah kaca lainnya). Akibatnya, CO₂lah yang berperan sebagai inisiator utama dalam proses pemanasan planet ini.

Mekanisme inilah yang mengarah pada fakta bahwa gletser di Bumi cepat atau lambat akan berakhir. Dia juga tidak membiarkannya terlalu panas: pada suhu yang terlalu tinggi, karbon dioksida lebih cepat terikat oleh batuan, setelah itu, karena tektonik lempeng kerak bumi, mereka secara bertahap tenggelam ke dalam mantel. tingkat CO₂jatuh dan iklim menjadi lebih dingin.

Pentingnya mekanisme ini untuk planet kita hampir tidak dapat ditaksir terlalu tinggi. Bayangkan sejenak kerusakan AC karbon: katakanlah, gunung berapi telah berhenti meletus dan tidak lagi mengeluarkan karbon dioksida dari perut Bumi, yang pernah turun ke sana dengan lempeng benua tua. Glasiasi pertama benar-benar akan menjadi abadi, karena semakin banyak es di planet ini, semakin banyak radiasi matahari yang dipantulkan ke luar angkasa. Dan porsi baru CO₂ tidak akan bisa mencairkan planet ini: tidak ada tempat untuk datang.

Ini persis bagaimana, secara teori, seharusnya di planet-laut. Bahkan jika aktivitas gunung berapi sewaktu-waktu dapat menembus cangkang es eksotis di dasar samudra planet, tidak banyak hal yang baik tentang hal itu. Memang, di permukaan dunia laut, tidak ada batu yang bisa mengikat kelebihan karbon dioksida. Artinya, akumulasinya yang tidak terkendali dapat dimulai dan, karenanya, planet ini terlalu panas.

Hal serupa - benar, tanpa samudra planet apa pun - terjadi di Venus. Tidak ada lempeng tektonik di planet ini juga, meskipun mengapa hal ini terjadi tidak diketahui secara pasti. Oleh karena itu, letusan gunung berapi di sana, kadang-kadang menembus kerak, memasukkan banyak karbon dioksida ke atmosfer, tetapi permukaan tidak dapat mengikatnya: lempeng benua tidak tenggelam dan yang baru tidak naik. Oleh karena itu, permukaan pelat yang ada telah mengikat semua CO₂, yang dapat, dan tidak dapat menyerap lebih banyak, dan di Venus sangat panas sehingga timbal akan selalu tetap cair di sana. Dan ini terlepas dari kenyataan bahwa, menurut pemodelan, dengan atmosfer Bumi dan siklus karbon, planet ini akan menjadi kembaran Bumi yang layak huni.

Apakah ada kehidupan tanpa AC?

Kritik terhadap "chauvinisme terestrial" (posisi bahwa kehidupan hanya mungkin pada "salinan Bumi", planet dengan kondisi terestrial yang ketat) segera mengajukan pertanyaan: mengapa, pada kenyataannya, semua orang memutuskan bahwa mineral tidak akan dapat menembus a lapisan es eksotis? Semakin kuat dan semakin tidak tertembus tutupnya di atas sesuatu yang panas, semakin banyak energi yang terakumulasi di bawahnya, yang cenderung pecah. Ini adalah Venus yang sama - lempeng tektonik tampaknya tidak ada, dan karbon dioksida keluar dari kedalaman dalam jumlah sedemikian rupa sehingga tidak ada kehidupan darinya dalam arti kata yang sebenarnya. Akibatnya, hal yang sama mungkin terjadi dengan pemindahan mineral ke atas - batuan padat selama letusan gunung berapi benar-benar jatuh ke atas.

Meski begitu, masalah lain tetap ada - "AC rusak" dari siklus karbon. Bisakah sebuah planet samudra dapat dihuni tanpanya?

Ada banyak benda di tata surya di mana karbon dioksida sama sekali tidak memainkan peran sebagai pengatur utama iklim. Inilah, katakanlah, Titan, bulan besar Saturnus.

Titanium. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universitas Nantes, Virginia Pasek, Universitas Arizona

Tubuh dapat diabaikan dibandingkan dengan massa Bumi. Namun, ia terbentuk jauh dari Matahari, dan radiasi termasyhur tidak "menguap" darinya unsur-unsur ringan, termasuk nitrogen. Ini memberi Titan atmosfer nitrogen yang hampir murni, gas yang sama yang mendominasi planet kita. Tetapi kepadatan atmosfer nitrogennya empat kali lipat dari kita - dengan gravitasi, atmosfernya tujuh kali lebih lemah.

Pada pandangan pertama pada iklim Titan, ada perasaan mantap bahwa itu sangat stabil, meskipun tidak ada AC "karbon" dalam bentuk langsungnya. Cukuplah untuk mengatakan bahwa perbedaan suhu antara kutub dan khatulistiwa Titan hanya tiga derajat. Jika situasinya sama di Bumi, planet ini akan jauh lebih merata dan umumnya lebih cocok untuk kehidupan.

Selain itu, perhitungan oleh sejumlah kelompok ilmiah telah menunjukkan: dengan kepadatan atmosfer lima kali lebih tinggi daripada Bumi, yaitu seperempat lebih tinggi daripada di Titan, bahkan efek rumah kaca dari nitrogen saja sudah cukup untuk menurunkan fluktuasi suhu. ke hampir nol. Di planet seperti itu, siang dan malam, baik di ekuator maupun di kutub, suhunya akan selalu sama. Kehidupan duniawi hanya bisa memimpikan hal seperti itu.

Planet-laut dalam hal kepadatannya hanya setingkat Titan (1, 88 g / cm), dan bukan Bumi (5, 51 g / cm). Katakanlah, tiga planet di zona layak huni TRAPPIST-1 40 tahun cahaya dari kita memiliki kerapatan dari 1,71 hingga 2,18 g / cm³. Dengan kata lain, kemungkinan besar, planet seperti itu memiliki kepadatan atmosfer nitrogen yang lebih dari cukup untuk memiliki iklim yang stabil karena nitrogen saja. Karbon dioksida tidak dapat mengubahnya menjadi Venus yang sangat panas, karena massa air yang sangat besar dapat mengikat banyak karbon dioksida bahkan tanpa lempeng tektonik (karbon dioksida diserap oleh air, dan semakin tinggi tekanannya, semakin banyak yang dapat dikandungnya.).

Gurun laut dalam

Dengan bakteri luar angkasa hipotetis dan archaea, semuanya tampak sederhana: mereka dapat hidup dalam kondisi yang sangat sulit dan untuk ini mereka tidak membutuhkan banyak elemen kimia sama sekali. Lebih sulit dengan tanaman dan kehidupan yang sangat terorganisir yang hidup dengan biaya mereka.

Jadi, planet laut dapat memiliki iklim yang stabil - kemungkinan besar lebih stabil daripada yang dimiliki Bumi. Mungkin juga ada sejumlah mineral yang terlarut dalam air. Namun, kehidupan di sana sama sekali bukan Shrovetide.

Mari kita lihat Bumi. Kecuali selama jutaan tahun terakhir, tanahnya sangat hijau, hampir tanpa bintik-bintik coklat atau kuning dari gurun. Namun lautan tidak terlihat hijau sama sekali, kecuali beberapa zona pantai yang sempit. Mengapa demikian?

Masalahnya adalah bahwa di planet kita, lautan adalah gurun biologis. Kehidupan membutuhkan karbon dioksida: ia "membangun" biomassa tanaman dan hanya dari situ biomassa hewan dapat diberi makan. Jika ada CO di udara sekitar kita₂ lebih dari 400 ppm seperti sekarang, vegetasi sedang mekar. Jika kurang dari 150 bagian per juta, semua pohon akan mati (dan ini bisa terjadi dalam satu miliar tahun). Dengan kurang dari 10 bagian CO₂ per juta semua tanaman akan mati secara umum, dan bersama mereka semua bentuk kehidupan yang sangat kompleks.

Sepintas, ini seharusnya berarti bahwa laut adalah bentangan nyata bagi kehidupan. Memang, lautan bumi mengandung karbon dioksida seratus kali lebih banyak daripada atmosfer. Oleh karena itu, harus ada banyak bahan bangunan untuk tanaman.

Faktanya, tidak ada yang lebih jauh dari kebenaran. Air di lautan Bumi adalah 1,35 triliun (miliar miliar) ton, dan atmosfer hanya lebih dari lima kuadriliun (juta miliar) ton. Artinya, ada lebih sedikit CO dalam satu ton air.₂dari satu ton udara. Tumbuhan air di lautan Bumi hampir selalu memiliki lebih sedikit CO₂ yang mereka miliki daripada yang terestrial.

Lebih buruk lagi, tanaman air hanya memiliki tingkat metabolisme yang baik di air hangat. Yaitu, di dalamnya, CO₂ paling tidak, karena kelarutannya dalam air menurun dengan meningkatnya suhu. Oleh karena itu, ganggang - dibandingkan dengan tanaman terestrial - ada di bawah kondisi kekurangan CO kolosal yang konstan.₂.

Itulah sebabnya upaya para ilmuwan untuk menghitung biomassa organisme darat menunjukkan bahwa laut, yang menempati dua pertiga dari planet ini, memberikan kontribusi yang tidak signifikan terhadap total biomassa. Jika kita mengambil massa total karbon - bahan utama dalam massa kering makhluk hidup apa pun - penghuni bumi, maka itu sama dengan 544 miliar ton. Dan di tubuh penghuni laut dan samudera - hanya enam miliar ton, remah-remah dari meja tuannya, sedikit lebih dari satu persen.

Semua ini mungkin mengarah pada pendapat bahwa meskipun kehidupan di planet-laut itu mungkin, itu akan sangat, sangat tidak sedap dipandang. Biomassa Bumi, jika ditutupi oleh satu lautan, semua hal lain dianggap sama, dalam hal karbon kering, hanya 10 miliar ton - lima puluh kali lebih sedikit daripada sekarang.

Namun, bahkan di sini masih terlalu dini untuk mengakhiri dunia air. Faktanya adalah bahwa sudah pada tekanan dua atmosfer, jumlah CO₂, yang dapat larut dalam air laut, lebih dari dua kali lipat (untuk suhu 25 derajat). Dengan atmosfer empat hingga lima kali lebih padat daripada Bumi - dan inilah yang Anda harapkan di planet seperti TRAPPIST-1e, g dan f - ada begitu banyak karbon dioksida di dalam air sehingga air di lautan setempat akan mulai mendekat. udara bumi. Dengan kata lain, tanaman air di planet dan lautan menemukan diri mereka dalam kondisi yang jauh lebih baik daripada di planet kita. Dan di mana ada lebih banyak biomassa hijau, dan hewan memiliki basis makanan yang lebih baik. Artinya, tidak seperti Bumi, lautan planet-samudera mungkin bukan gurun, tetapi oasis kehidupan.

Planet Sargasso

Tapi apa yang harus dilakukan jika planet samudra, karena kesalahpahaman, masih memiliki kerapatan atmosfer Bumi? Dan semuanya tidak begitu buruk di sini. Di Bumi, alga cenderung menempel di dasar, tetapi jika tidak ada kondisi untuk ini, ternyata tanaman air dapat berenang.

Beberapa ganggang sargassum menggunakan kantung berisi udara (mereka menyerupai anggur, oleh karena itu kata Portugis "sargasso" dalam nama Laut Sargasso) untuk memberikan daya apung, dan secara teori ini memungkinkan Anda untuk mengambil CO₂ dari udara, dan bukan dari air, di tempat yang langka. Karena daya apung mereka, lebih mudah bagi mereka untuk melakukan fotosintesis. Benar, ganggang seperti itu berkembang biak dengan baik hanya pada suhu air yang agak tinggi, dan oleh karena itu di Bumi mereka relatif baik hanya di beberapa tempat, seperti Laut Sargasso, di mana airnya sangat hangat. Jika planet samudra cukup hangat, maka bahkan kepadatan atmosfer bumi bukanlah hambatan yang tidak dapat diatasi bagi tumbuhan laut. Mereka mungkin mengambil CO₂ dari atmosfer, menghindari masalah karbon dioksida rendah dalam air hangat.

Alga Sargasso. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Menariknya, ganggang terapung di Laut Sargasso yang sama memunculkan ekosistem terapung secara keseluruhan, seperti "tanah terapung". Kepiting tinggal di sana, di mana daya apung ganggang cukup untuk bergerak di permukaannya seolah-olah itu adalah tanah. Secara teoritis, di daerah tenang di planet samudra, kelompok tumbuhan laut yang terapung dapat mengembangkan kehidupan "darat" yang cukup, meskipun Anda tidak akan menemukan daratan sendiri di sana.

Periksa hak istimewa Anda, penduduk bumi

Masalah dalam mengidentifikasi tempat yang paling menjanjikan untuk pencarian kehidupan adalah bahwa sejauh ini kita hanya memiliki sedikit data yang memungkinkan kita untuk memilih pembawa kehidupan yang paling mungkin di antara calon planet. Dengan sendirinya, konsep "zona layak huni" bukanlah asisten terbaik di sini. Di dalamnya, planet-planet itu dianggap cocok untuk kehidupan yang menerima dari bintangnya sejumlah energi yang cukup untuk mendukung reservoir cair setidaknya di sebagian permukaannya. Di tata surya, baik Mars dan Bumi berada di zona layak huni, tetapi kehidupan kompleks pertama di permukaan entah bagaimana tidak terlihat.

Terutama karena ini bukan dunia yang sama dengan Bumi, dengan atmosfer dan hidrosfer yang berbeda secara fundamental. Representasi linier dalam gaya "planet-laut adalah Bumi, tetapi hanya tertutup air" dapat membawa kita ke dalam khayalan yang sama seperti yang ada pada awal abad ke-20 tentang kelayakan Mars untuk kehidupan. Oceanid nyata dapat sangat berbeda dari planet kita - mereka memiliki atmosfer yang sama sekali berbeda, mekanisme stabilisasi iklim yang berbeda, dan bahkan mekanisme yang berbeda untuk memasok tanaman laut dengan karbon dioksida.

Pemahaman terperinci tentang bagaimana dunia air benar-benar bekerja memungkinkan kita untuk memahami terlebih dahulu seperti apa zona layak huni bagi mereka, dan dengan demikian dengan cepat mendekati pengamatan terperinci dari planet-planet semacam itu di James Webb dan teleskop besar menjanjikan lainnya.

Kesimpulannya, kita tidak bisa tidak mengakui bahwa sampai saat ini ide-ide kita tentang dunia mana yang benar-benar dihuni dan mana yang tidak, terlalu menderita akibat antroposentrisme dan geosentrisme. Dan, ternyata sekarang, dari "sushsentrisme" - pendapat bahwa jika kita sendiri muncul di darat, maka itu adalah tempat terpenting dalam perkembangan kehidupan, dan tidak hanya di planet kita, tetapi juga di matahari lain. Mungkin pengamatan tahun-tahun mendatang tidak akan meninggalkan kebutuhan bisnis yang terlewat dari sudut pandang ini.