Биологи из Северной Аризоны: TRAPPIST-1e не даст развитой жизни из-за нехватки энергии
Поиск внеземной жизни часто строится на простой логике: если планета старше Земли и находится в зоне обитаемости, у местной биосферы было больше времени на развитие. Значит, там могли появиться не только микробы, но и многоклеточные существа, а возможно, и разум. Новая работа астробиологов и климатологов под руководством Кристофера Доути из Университета Северной Аризоны, опубликованная в International Journal of Astrobiology, ломает эту интуитивную схему. Ученые показали: возраст планеты сам по себе ничего не решает. Эволюцию движет не календарь, а количество энергии, которое биосфера способна переработать в органическое вещество.
В основе исследования — хорошо известный биологам факт: в теплых и влажных регионах видовое разнообразие выше, чем в холодных и засушливых. Причина — в скорости размножения. Чем больше биомассы производят растения и микробы, тем больше живых существ, тем чаще сменяются поколения, тем больше мутаций накапливает естественный отбор. Авторы перенесли этот принцип на всю планету. Скорость эволюции они определили как функцию от общего числа прожитых на планете жизней, а оно напрямую зависит от суммарного объема углерода, связанного биосферой за счет фотосинтеза — чистой первичной продукции (NPP).
Цепочка выглядит так: доступная радиация, влажность и температура задают годовой объем органического углерода. Этот объем определяет предел общей массы живых существ. Масса определяет число сменяющих друг друга поколений. Поколения накапливают мутации. Мутации приводят к крупным скачкам — от кислородного фотосинтеза до сложных клеток с ядром, многоклеточных животных и нервной системы. Если планета получает мало пригодного для фотосинтеза света или страдает от нехватки осадков, углерода связывается мало, и эволюция растягивается на сроки, многократно превышающие возраст Вселенной.
Чтобы получить точку отсчета, исследователи рассчитали историю связывания углерода на Земле. Первые следы микроорганизмов датируются возрастом 3,7–4,2 миллиарда лет назад. В архейский эон фотосинтез был преимущественно бескислородным и низкоэффективным: биосфера связывала около 2,5 миллиарда тонн углерода в год. В протерозойский эон, когда океаны оставались бедны питательными веществами, а суша была необитаема, продуктивность выросла примерно до 10 миллиардов тонн в год. За первые три миллиарда лет существования жизни земные микроорганизмы связали в сумме 2,4 x 10²⁵ граммов углерода. Это число ученые приняли за порог перехода от одноклеточных форм к простым многоклеточным.
Решающий скачок произошел около 500 миллионов лет назад, когда растения вышли на континенты. Появление сосудистых растений кардинально изменило углеродный цикл: современная биосфера производит уже около 100 миллиардов тонн связанного углерода ежегодно, половина приходится на наземные растения, половина — на океанический фитопланктон. За последние 500 миллионов лет биосфера связала дополнительно 7,0 x 10²⁵ граммов углерода. К моменту появления человека разумного Земля накопила около 9,4 x 10²⁵ граммов. Это и стало верхней планкой в расчетах: меньше 2,4 x 10²⁵ — жизнь остается одноклеточной, выше — возможно появление многоклеточных, выше 9,4 x 10²⁵ — достаточно биохимических событий для сложной фауны и интеллекта.
Одной из главных целей исследования стала планета TRAPPIST-1e у ультрахолодного красного карлика в созвездии Водолея, в 40 световых годах от нас. Радиус — 0,92 земного, плотность близка к земной, орбита допускает существование жидкой воды. Возраст системы оценивается в 7,6 миллиарда лет — она старше Земли на три миллиарда. Исследователи применили трехмерные климатические модели циркуляции атмосферы ExoCAM и UM, созданные в рамках проекта THAI, и наложили на них формулы расчета первичной биопродуктивности. Результат оказался неутешительным.
Планета находится в приливном захвате: она всегда повернута к звезде одной стороной, и половина поверхности погружена в вечную тьму, где фотосинтез невозможен в принципе. На дневной стороне климат распределяется радиально от подзвездной точки: там воздух нагревается, влага испаряется и поднимается вверх, формируя облака и ливни. Но за пределами центральной области воздух опускается уже сухим, и большая часть континентов страдает от жестокой нехватки осадков. В модели с нормальным содержанием CO₂ (400 ppm) 62% поверхности планеты имеют нулевую продуктивность: там либо нет света, либо нет дождей. Добавляется и третье ограничение — вода почти полностью поглощает инфракрасное излучение красного карлика в поверхностном слое, поэтому в глубине океана освещенность близка к нулю.
Суммарная годовая выработка органического углерода на TRAPPIST-1e оценивается в 3–17 миллиардов тонн против 100 миллиардов на Земле. Чтобы накопить земной объем связанного углерода, планете при текущей продуктивности потребовалось бы не менее 18 миллиардов лет. Реальный возраст — 7,6 миллиарда. Эволюция отстает от земной более чем на 14 миллиардов лет, и биосфера не смогла произвести объем биомассы, недостаточный даже для завершения микробного этапа. Если жизнь там и есть, она представлена только одноклеточными.
Второй фундаментальный фактор — качество излучения красных карликов. Земные растения и цианобактерии используют видимый свет с длиной волны 400–700 нанометров: фотон несет достаточно энергии, чтобы запустить расщепление воды и фиксацию углерода при участии двух фотосистем. У красных карликов максимум излучения приходится на ближний инфракрасный диапазон, 700–1100 нанометров. Энергии одного такого фотона мало: для реакции требуется каскад из трех-четырех фотонов, а для высокоэффективного кислородного фотосинтеза организмам пришлось бы объединить не две фотосистемы, а три или четыре — крайне сложная биохимическая конструкция, независимое возникновение которой маловероятно. Если гипотетическая жизнь способна воспринимать только видимый свет, TRAPPIST-1e для достижения земного уровня потребовалось бы от 84 до 114 миллиардов лет — в 6–8 раз больше возраста Вселенной.
Авторы распространили методику на 29 каменистых экзопланет из каталога потенциально обитаемых миров Habitable Worlds Catalog. Все они имеют радиус от 0,5 до 1,6 земного и получают от своих звезд умеренное количество тепла. Выяснилось, что используемый в астрономии индекс подобия Земле (ESI), рассчитываемый по радиусу, массе и температуре, не дает представления о реальном биологическом статусе планеты. Яркий пример — Звезда Тигардена b в 12,5 световых годах от нас: самый высокий индекс подобия в группе, 0,95, но по объему связанного углерода она достигает лишь 70% земного уровня. Максимум, на который способна эта планета, — примитивные многоклеточные организмы в воде.
Из 29 изученных миров только два преодолели порог накопленного углерода, характерный для современной Земли: K2-3d (1,74 от земного уровня) и GJ 1061c (1,03). Обе крупнее Земли, старше и получают больше радиации. Но и здесь есть жесткие ограничения. Радиус K2-3d — 1,46 земного, а объекты такого размера почти всегда оказываются субнептунами с протяженной водородно-гелиевой оболочкой, где жизнь земного типа невозможна. На GJ 1061c средняя температура достигает 37 градусов Цельсия, а в подзвездной области значительно выше; при температуре свыше 35–40 градусов белки теряют устойчивость, а ферменты фотосинтеза разрушаются. Когда в модель ввели порог продуктивности при 35 градусах, выработка углерода на обеих планетах упала более чем вдвое, вернув их на ранние ступени эволюции.
Остальные миры, включая ближайшую к нам Проксиму Центавра b (0,13 от земного объема углерода), оказались далеко позади. Единственный сценарий высокой продуктивности у красных карликов — плотная атмосфера из углекислого газа с давлением около одного бара, создающая мощный парниковый эффект. В такой модели продуктивность TRAPPIST-1e выросла бы до 59 миллиардов тонн углерода в год. Но наблюдения телескопа «Джеймс Уэбб» этот сценарий опровергают: TRAPPIST-1b полностью лишена атмосферы, на TRAPPIST-1c плотной оболочки из CO₂ нет, а предварительные спектры TRAPPIST-1e исключили протяженную атмосферу, богатую водородом или плотным углекислым газом. Мощные вспышки молодых красных карликов и потоки звездного ветра сдувают первичные газовые оболочки, оставляя планеты сухими и холодными.
Выводы меняют критерии отбора целей для поиска внеземной жизни. Попытки уловить радиосигналы, лазерные вспышки или следы индустриального загрязнения в системах маломассивных звезд практически обречены: ограниченный баланс энергии не позволяет местным формам накопить мутационный фонд, необходимый для сложных животных и разума. Индекс подобия Земле теряет ценность — ключевым параметром становится не геометрия орбиты, а годовая чистая первичная продуктивность. Фокус смещается к звездам солнечного типа классов F и G: они живут меньше красных карликов, от трех до десяти миллиардов лет, но их спектр богат видимым светом, у их планет нет приливного захвата, а зоны умеренных осадков широки — все это позволяет биосфере развить высокую продуктивность с первых этапов существования.
Жизнь как химическое явление может быть широко распространена во Вселенной. Но подавляющее большинство биосфер на близких к нам экзопланетах лишено достаточного потока световой энергии и влаги. Эти миры существуют миллиарды лет, однако из-за крайне низкой скорости накопления органического углерода навсегда остаются на стадии микроскопических одноклеточных сообществ. Возраст планеты в этой арифметике не помогает — он лишь подчеркивает, сколько времени было потрачено впустую.
По материалам: iXBT
