Зарождение жизни в бездне: Каковы шансы на существование микробов в океанах других планет?

А вы когда-нибудь задумывались, насколько сильно условия окружающей среды могут влиять на развитие жизни? Учёные, занимающиеся поиском внеземной жизни, всё чаще обращают внимание на так называемые гикеанные миры — планеты, покрытые океанами и окружённые атмосферами, богатыми водородом. Эти планеты, как предполагается, могут быть вполне пригодны для жизни микробов, схожих с теми, что населяют наши земные океаны. Но насколько быстро и разнообразно могла бы развиваться жизнь в таких условиях, где температура, порой, существенно отличается от земной?

Тепло, ещё теплее… или похолоднее?

Недавние открытия, связанные с обнаружением углеродосодержащих молекул в атмосфере экзопланеты K2-18 b, открывают перед нами захватывающие перспективы по изучению потенциальных биосфер на других планетах. Гикеанные миры, с их океанами и богатыми водородом атмосферами, кажутся весьма перспективными кандидатами. Однако, какая температура поверхности океана будет оптимальной для зарождения и эволюции жизни?

Исследования показывают, что температурный режим океана играет ключевую роль в развитии жизни. Например, относительно небольшое (порядка 10°C) повышение средней температуры океана на гикеанной планете может привести к удвоению темпов эволюции одноклеточных организмов. А знаете что? Это может означать, что ключевые группы микробов могли бы возникнуть на 1,3 миллиарда лет раньше, чем на Земле!

А вот понижение температуры, наоборот, способно существенно замедлить эволюцию и даже отложить возникновение новых групп микроорганизмов на несколько миллиардов лет. Такое замедление, честно говоря, может повлиять и на наличие так называемых «биомаркеров» — химических соединений, свидетельствующих о присутствии жизни. К примеру, диметилсульфид, который на Земле производится, в основном, морским фитопланктоном, в холодных океанах может вырабатываться в меньшем количестве.

Получается, что на более тёплых гикеанных планетах биосферные процессы, а вместе с ними и «биосигналы», могут быть более выраженными, чем на Земле. А вот на планетах с более прохладными океанами жизнь, возможно, будет более примитивной, и обнаружить её будет сложнее, если только они не вращаются вокруг значительно более старых звёзд, чем наше Солнце.

Моделируем эволюцию: нейтральный подход

Как же учёные изучают эти процессы? Сложность заключается в том, что процессы макроэволюции, особенно появление новых групп организмов, не всегда подчиняются чётким законам. Прямых связей между условиями среды и появлением новых биологических групп не так много. Однако, как ни удивительно, но для понимания общих закономерностей часто используют так называемые «нейтральные модели» эволюции.

Эти модели, не учитывающие конкретные факторы воздействия среды, хорошо описывают общие тенденции эволюции и вымирания видов. Почему? Всё просто — даже в отсутствие внешнего давления популяции живых организмов продолжают меняться, развиваться и вымирать. Такие модели не дают точного описания конкретных событий, но позволяют проследить общие тенденции.

Метаболическая теория экологии: ключ к пониманию скорости эволюции

Тем не менее, учёные стараются найти более конкретные параметры, влияющие на скорость эволюции. Одним из таких параметров оказалась скорость метаболизма организма. В метаболической теории экологии предполагается, что скорость метаболизма напрямую влияет на темпы эволюции. Эта теория утверждает, что метаболизм, являясь фундаментальной биологической константой, управляет большинством процессов в живых организмах.

Метаболизм зависит как от размера организма, так и от температуры окружающей среды. Меньшим организмам требуется больше энергии на единицу массы тела для переноса веществ, а повышение температуры ускоряет все биохимические реакции, происходящие в организме. Увязывая эти факторы вместе, учёные смогли создать модель, позволяющую прогнозировать темпы эволюции на основе температуры и размеров организма.

Что показало моделирование?

Применив эту модель к гикеанным мирам, учёные получили интересные результаты. Оказалось, что даже небольшие изменения температуры океана могут приводить к существенным изменениям темпов эволюции и времени появления новых групп организмов. Например, на гипотетической планете, где температура на 10°C выше, чем на Земле, основные группы одноклеточных организмов могли бы появиться уже через 1,19 миллиарда лет после зарождения жизни. На Земле этот процесс занял гораздо больше времени.

И наоборот, снижение температуры всего на 10°C способно замедлить эволюцию и отложить появление тех же групп на несколько миллиардов лет. Эта разница может оказаться ключевой для обнаружения жизни: ведь планеты с более тёплыми океанами потенциально имеют более высокие шансы на проявление сильных биосигналов.

Фитопланктон: барометр жизни

Учёные также обратили внимание на группы фитопланктона — мельчайшие водоросли, играющие важную роль в экосистеме океана и в формировании биосигналов в атмосфере. Они вырабатывают диметилсульфид (DMS), химическое соединение, которое может указывать на присутствие жизни.

Моделирование показало, что на более тёплых гикеанных планетах фитопланктон и, соответственно, DMS могли бы появиться гораздо раньше, чем на Земле. Например, если температура на планете на 10°C выше земной, DMS-продуцирующий фитопланктон мог бы возникнуть уже через 1,28 миллиарда лет после зарождения жизни, что гораздо раньше, чем на Земле. А вот в холодных океанах, производство DMS было бы отложено на миллиарды лет.

Что это всё значит?

Итак, мы видим, что температура океана — это очень важный фактор, влияющий на скорость эволюции и разнообразие жизни. Результаты исследований позволяют сделать вывод, что:

• На тёплых гикеанных планетах жизнь может развиваться значительно быстрее и разнообразнее, чем на Земле.

• На холодных гикеанных планетах развитие жизни, наоборот, может быть замедленно, и обнаружить ее будет гораздо сложнее.

• Температура океана влияет на появление фитопланктона, производящего ключевые биомаркеры, такие как DMS, и, следовательно, влияет на нашу способность обнаруживать жизнь на других планетах.

Иными словами, гикеанные планеты с более тёплыми океанами, особенно вращающиеся вокруг молодых звёзд, могут оказаться идеальными кандидатами для поиска внеземной жизни. Но не стоит забывать, что это всего лишь модель. Жизнь — это сложная система, и многое еще остаётся неясным. Однако, каждое новое исследование приближает нас к пониманию того, как устроена Вселенная, и как много в ней может быть обитаемых миров, похожих и не похожих на наш.