Астробиологи из нескольких университетов, включая Университет Калифорнии в Санта-Крузе и Университет Вашингтона, опубликовали в International Journal of Astrobiology анализ, посвящённый одной из ключевых частей возможной эволюции сложной жизни на планетах за пределами Солнечной системы — кислородному фотосинтезу и образованию больших запасов угля. Авторы обсуждают, насколько такие процессы вероятны на экзопланетах, насколько они связаны с появлением технологических цивилизаций и какие ограничения накладывают факторы геологии и биологии.
Почему слова о фотосинтезе и угле звучат в астрофизике
При обсуждении поиска внеземной жизни и интеллектов в галактике астрофизики нередко используют уравнение Дрейка — модель, оценивающую число возможных технологических цивилизаций. Однако большинство формулировок упрощают ситуацию, принимая, что наличие жизни и её переход к разуму само по себе предопределено. Новая статья обращает внимание на то, как ключевые этапы, которые произошли на Земле, могли повлиять на развитие сложных экосистем и, в конечном счёте, технологической цивилизации.
Особое внимание уделяется двум факторам:
- кислородному фотосинтезу — биохимическому процессу, преобразующему энергию света в химическую энергию с образованием свободного кислорода;
- образованию крупных залежей угля — земным древним энергетическим резервам, которые сыграли важную роль в развитии нашей технологической цивилизации.
Кислородный фотосинтез — среда для сложной жизни
Кислородный фотосинтез — это процесс, при котором организмы (растения, цианобактерии и др.) используют солнечный свет для превращения углекислого газа и воды в органические вещества с высвобождением кислорода. Это основной биохимический механизм, ответственный за насыщение Земли атмосферным кислородом и создание условий для аэробных (кислородных) организмов.
Авторы отмечают, что наличие кислородного фотосинтеза считается краеугольным камнем для развития сложных экосистем и предшествует появлению многоклеточных форм жизни. Он также создаёт условия, позволяющие накоплению биомассы, которая затем может участвовать в формировании энергетических резервов, таких как уголь.
Однако далеко не все планеты в зоне обитаемости (HZ — зона вокруг звезды, где жидкая вода потенциально возможна) будут иметь условия, подходящие для кислородного фотосинтеза. Например, спектральный состав света и интенсивность излучения у звёзд других типов могут влиять на эффективность фотосинтеза, особенно у красных карликов и других распространённых звёздных типов, что изучалось в фитосинтетических моделях вне Земли.
Уголь — результат многих последовательных событий
С точки зрения развития технологической цивилизации на Земле, уголь был критически важен. В XIX веке именно он обеспечил огромный приток энергии высокой плотности, который стал топливом Промышленной революции и дал толчок к развитию технологий, в том числе в металлургии, добыче нефти и газов.
Авторы статьи подчёркивают, что образование угля на планете — не простой результат наличия растений и фотосинтеза. Это сложный геологический процесс, который требует:
- большого количества растительной биомассы, растущей в подходящих экосистемах (например, болотах);
- древних лесов в определённых климатических условиях;
- специфического движения литосферных плит, которые захороняют органический материал под осадочными слоями;
- длительного времени для перехода от растительной биомассы к торфу и затем к углю через процессы прессования и нагревания на глубине.
Эти условия были реализованы на Земле в определённые геологические периоды (особенно в Каменноугольный период около 330–260 млн лет назад), когда климат, растительность и тектоника благоприятствовали образованию огромных пластов угля.
Газовые залежи и доступность энергии
Авторы также отмечают, что без угля человечество едва ли смогло бы начать промышленный рост, поскольку уголь дал первичное энергообеспечение, которое затем позволило освоить бурение и добычу нефти и газа. Эти ископаемые энергоносители имеют гораздо меньшую доступность без развитой инженерной инфраструктуры, появившейся благодаря углю.
Это подчёркивает не только биологические, но и геохимические и технологические аспекты: наличие богатых месторождений биогенной энергии может быть важным фактором для развития продвинутых цивилизаций, способных к межзвёздной коммуникации или наблюдаемым техносигнатурам.
Совокупность условий — редкость или правило?
Авторы приходят к выводу, что наблюдаемая на Земле последовательность событий — от фотосинтеза до огромных угольных пластов и энергетического бума — является результатом множества совпадающих факторов: биологических, геологических, климатических и временных.
Даже если на многих экзопланетах могут возникать организмы, способные к фотосинтезу, это ещё не гарантирует, что они сформируют энергетически значимые ископаемые ресурсы. Это значит, что развитие сложной жизни и технологических цивилизаций, аналогичных земным, может требовать далеко не универсальных условий, а комплекса редких комбинаций факторов.
Влияние на поиски жизни и цивилизаций
Это исследование предлагает подход, который выходит за рамки простых критериев обитаемости, основанных лишь на наличии жидкой воды или температуры поверхности. Вместо этого рассматривается глубокая взаимосвязь между биосферой, геосферой и технологическим развитием.
В контексте поиска внеземной жизни и техносигнатур это значит, что астрономы и астрофизики могут учитывать не только биосигнатуры (атмосферные следы кислорода или метана), но и геохимические следы сложной биосферы — например характеристики, которые могли бы указывать на наличие значительных осадочных залежей.
Заключение
Исследование вопросов распространённости кислородного фотосинтеза и формирования крупных угольных залежей на экзопланетах показывает, что:
- кислородный фотосинтез является ключевым процессом для насыщения атмосферы биологически активным кислородом, но его распространённость на экзопланетах зависит от множества факторов, включая световой спектр и условия поверхности;
- образование крупных энергетических ресурсов, таких как уголь, требует уникальных сочетаний биологических, климатических и тектонических условий, которые могли быть редкостью даже на Земле;
- учитывая эти дополнительные ограничения, развитие продвинутых технологических цивилизаций может быть существенно менее вероятным, чем предполагают простейшие модели обитаемости.
Таким образом, исследование расширяет рамки обсуждений об экзопланетной жизни, предлагая учитывать более сложные геобиологические процессы, а не только классические критерии зоны обитаемости.
Источники:
Статья создана по материалам cambridge.org
