Очень немногие планеты обладают подходящим химическим составом для жизни

На обитаемость планеты влияет множество факторов. К наиболее очевидным относятся нахождение в обитаемой зоне звезды и наличие магнитного щита, защищающего планету от радиации. Но есть и другие важные факторы, менее очевидные.

Новые исследования указывают на то, что для поддержания жизни на планете необходимо правильное равновесие определенных химических факторов. В частности, в ядре экзопланеты при её формировании должно присутствовать достаточное количество фосфора и азота. А для того, чтобы эти элементы были доступны на будущей поверхности планеты, необходим кислород.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy и озаглавлены «Химическая обитаемость Земли и каменистых планет определяется процессом формирования ядра». Ведущий автор — Крейг Уолтон из Центра происхождения и распространенности жизни в ETH Zurich.

«Ключевым фактором, определяющим обитаемость экзопланет, является наличие бионеобходимых элементов, таких как азот (N) и фосфор (P), которые способствуют пребиотической химии и поддерживают жизнь после её возникновения», — пишут авторы. Азот имеет решающее значение для белков, которые, в свою очередь, имеют решающее значение для клеток. Фосфор является важнейшей частью как ДНК, так и РНК.

Исследователи объясняют, что доступность кислорода и окисление лежат в основе конечного наличия как азота, так и фосфора. «Однако концентрации фосфора и азота в мантиях планет варьируются в зависимости от первоначальной доступности и условий окисления во время формирования планеты, поэтому их характеристика и доступность в планетарных средах представляют собой сложную задачу».

Уолтон и его коллеги обратились к моделированию, чтобы понять взаимосвязь между O, N и P в ядре планеты. Они обнаружили, что, подобно тому, как экзопланеты должны находиться в «зоне Златовласки» — диапазоне расстояний от звезды, допускающем наличие жидкой воды, — у экзопланет также существует «химическая зона Златовласки». «Здесь мы используем модель формирования ядра, чтобы показать, что умеренная фугитивность кислорода во время формирования ядра является ключевым параметром доступности этих двух элементов, а существование узкой «химической зоны Златовласки» позволяет присутствовать как P, так и N в мантии в нужном количестве», — пишут они.

В основе этого исследования лежит фугитивность кислорода. Фугитивность — это свойство вещества стремиться к испарению. Молекулы кислорода постоянно движутся, и при высоком давлении или низкой температуре они ведут себя по-разному. Фугитивность учитывает эти условия и подобна эффективному давлению или «стремлению» молекулы к испарению. Исследование показывает, что для присутствия N и P в необходимых количествах фугитивность кислорода должна быть точно подобрана.

«В процессе формирования ядра планеты необходимо точное количество кислорода, чтобы фосфор и азот могли оставаться на поверхности планеты», — пояснил Уолтон.

«Мы сосредоточились на фосфоре и азоте, потому что они считаются лимитирующими питательными веществами для жизни на протяжении большей части истории Земли и, по сути, лимитирующими факторами в пребиотической химии, которая впервые дала начало жизни», — пишут авторы.

Каменистые планеты, такие как Земля, изначально представляют собой шары расплавленной породы. В этом состоянии более тяжелые элементы опускаются на дно, или в ядро, планеты. Именно поэтому ядро Земли состоит в основном из железа, а мантия и кора — преимущественно из более легких элементов, таких как кислород и кремний.

Это общий обзор, но есть много деталей. Различные химические элементы имеют разное сродство друг к другу, и некоторые более легкие элементы могут притягиваться к ядру, когда связаны с более тяжелыми элементами. Химические элементы, которые имеют сродство к образованию связей с железом, называются сидерофильными элементами. Фосфор — один из таких элементов, и при недостатке кислорода фосфор будет связываться с железом в виде фосфида железа и опускаться в ядро. Оказавшись связанным в ядре планеты, он становится недоступным.

Если кислорода слишком много, эффект будет иным. Фосфор останется в мантии, тогда как азот с большей вероятностью улетучится в атмосферу и, в конечном итоге, в космос.

Результаты моделирования, проведенного в рамках исследования, показывают, что существует лишь очень узкий диапазон содержания кислорода, который позволяет как азоту, так и фосфору оставаться в мантии каменистой планеты. И, конечно же, Земля находится именно в этом диапазоне.

«Наши модели ясно показывают, что Земля находится именно в этом диапазоне. Если бы во время формирования ядра было чуть больше или чуть меньше кислорода, фосфора или азота было бы недостаточно для развития жизни», — сказал Уолтон.

Исследователи называют это определяющее соотношение «питательным профилем». Он включает в себя общий состав Солнечной системы, в которой она сформировалась, то, как изменяется общий состав планеты по сравнению с общим составом системы в процессе формирования планеты, и то, как элементы распределяются между ядром, мантией и корой в зависимости от фугитивности кислорода.

Земля, очевидно, находится в «зоне Златовласки». Нашей планете-сестре повезло меньше. Моделирование показывает, что на Марсе кислород находился за пределами этой зоны. Это предопределило судьбу Марса, говорят авторы, и в его мантии больше фосфора по сравнению с Землей, но меньше азота. Это означает, что, согласно нашим представлениям о том, что необходимо для жизни, у Марса не было шансов.

К сожалению, у нас нет абсолютно точных данных о содержании фосфора и азота в мантии Марса. Однако исследования позволили наложить некоторые ограничения на их распространенность. Марсоходы измерили содержание фосфора в марсианских породах и обнаружили уровни, аналогичные или немного ниже земных. Концентрации азота более неопределенны, но научные оценки показывают, что его содержание явно ниже, чем на Земле.

Хотя мы считаем поверхностную воду главным критерием обитаемости, это исследование показывает, насколько детально этот вопрос учитывается. Экзопланета может поддерживать наличие жидкой поверхностной воды в течение миллиардов лет, а это значит, что она находится в предполагаемой обитаемой зоне. Но она не обязательно будет находиться в химической «зоне Златовласки».

В контексте непрекращающихся поисков обитаемых планет человечество вносит важный вклад в эту область. В некоторой степени астрономы могут использовать мощные телескопы для определения химического состава планетной системы, измеряя химический состав звезды. Планеты наследуют свой химический состав от солнечных туманностей. Если химический состав звезды существенно отличается от состава Солнца, то маловероятно, что её каменистые планеты будут находиться в «зоне Златовласки» по химическому составу.

«Это делает поиски жизни на других планетах гораздо более конкретными», — сказал Уолтон. «Нам следует искать солнечные системы со звездами, похожими на наше Солнце».

Помимо изучения отдельных звёзд в нашей галактике, эти результаты могут также рассказать нам о перспективах существования жизни во всей Вселенной. «Химическая обитаемая зона может иметь значение для понимания распространённости — или её отсутствия — жизни во Вселенной», — пишут авторы.

Мы сталкиваемся с растущим пониманием сложной сети факторов, которые делают Землю обитаемой и ценной. Размышления о жизни во всей Вселенной — это не так просто, как определить планеты в обитаемых зонах, или планеты с водой на поверхности, или планеты, обладающие защитными магнитными щитами, тектоникой плит или даже углеродными циклами.

«Недостаток фосфора и/или азота, необходимых для пребиотической химии, может создать узкое место, препятствующее развитию жизни на многих планетах, даже если они в остальном пригодны для жизни; например, виды могут адаптироваться к суровой пустыне и колонизировать её, но сначала они должны возникнуть в более благоприятном месте», — объясняют авторы.

Представление о неизбежности жизни где-либо ещё, основанное исключительно на ошеломляющем количестве планет во Вселенной, постепенно разрушается. В конечном счёте, мы не в состоянии делать какие-либо однозначные выводы. Но это исследование предполагает, что планеты, подобные Земле, где миллион различных факторов совпали идеально, скорее всего, встречаются крайне редко.

«По-видимому, Земля представляет собой планету, приблизительно оптимизированную для одновременного наличия фосфора и азота, необходимых для жизни, что снова делает её относительно редким примером земного мира, несмотря на то, что она, по всей видимости, совершенно обычная с точки зрения общих условий окисления во время формирования ядра», — пишут авторы. Поиск обитаемости следует сосредоточить на планетах, которые сформировались в условиях, аналогичных земным.

«Следует уделить особое внимание оценке фугитивности кислорода экзопланет во время формирования ядра, которая во многом определит содержание фосфора в их мантиях. Эта информация будет иметь решающее значение для интерпретации возможных биосигнатур, связанных с далекими мирами», — заключают исследователи.