Биосферопригодность планеты определяется совокупностью множества условий. Среди наиболее очевидных — нахождение в зоне обитаемости своей звезды и наличие магнитного поля, отражающего губительную радиацию. Однако существуют и менее явные, но критически важные факторы. Свежие научные изыскания показывают, что для поддержания жизни необходимо филигранное равновесие химических элементов. В частности, на этапе зарождения экзопланеты в её ядре должен аккумулироваться достаточный объем азота и фосфора. При этом именно кислород определяет, станут ли эти вещества доступными в приповерхностных слоях.
Результаты исследования представлены в журнале Nature Astronomy в статье под заголовком «Химическая пригодность Земли и каменистых миров для жизни, обусловленная процессом формирования ядра». Работу возглавил Крейг Уолтон, научный сотрудник Центра происхождения и распространенности жизни при Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
«Фундаментальным параметром обитаемости экзопланет является наличие таких биофильных элементов, как азот (N) и фосфор (P). Они выступают катализаторами пребиотических реакций и поддерживают жизнедеятельность организмов», — поясняют авторы. Азот незаменим для построения белков, формирующих клетки, а фосфор служит основой для молекул ДНК и РНК.
Как объясняют специалисты, уровень окисления напрямую влияет на итоговую доступность N и P. «Тем не менее концентрация азота и фосфора в планетных мантиях варьируется в зависимости от их исходного количества в протопланетном диске и условий окисления при дифференциации недр, что делает точную оценку их запасов в планетарных масштабах крайне сложной задачей».
Команда Уолтона применила методы математического моделирования, чтобы проанализировать взаимосвязь кислорода, азота и фосфора в недрах планеты. Они выяснили, что наряду с температурной «зоной обитаемости» (где возможно существование жидкой воды) существует и «химическая зона обитаемости». «Используя модель формирования ядра, мы продемонстрировали, что умеренная фугитивность (летучесть) кислорода в этот период является ключевым условием. Лишь в узком диапазоне «химической обитаемости» азот и фосфор сохраняются в мантии в оптимальных пропорциях», — говорится в публикации.
Центральное понятие работы — фугитивность кислорода. Это физико-химическая характеристика, описывающая стремление вещества перейти в газообразную фазу. Поведение кислорода меняется в зависимости от давления и температуры, и фугитивность отражает это «эффективное давление». Анализ показал: чтобы нутриенты присутствовали на планете в нужных дозах, фугитивность кислорода должна быть строго сбалансированной.
«В период формирования ядра планеты требуется ровно столько кислорода, сколько необходимо для того, чтобы фосфор и азот не оказались «заперты» в недрах, а остались в приповерхностном слое», — отмечает Крейг Уолтон в пресс-релизе.
«Мы сфокусировались на фосфоре и азоте, поскольку именно они признаны базовыми питательными веществами, необходимыми для жизни на протяжении всей истории Земли, и ключевыми агентами пребиотической химии, давшей старт биологической эволюции», — подчеркивают исследователи.
Каменистые миры, подобные нашему, в начале своего пути представляют собой океаны расплавленной магмы. В этом состоянии наиболее плотные элементы мигрируют к центру. Именно поэтому ядро Земли преимущественно состоит из железа, в то время как мантия и кора сформированы из более легких веществ, таких как кремний и кислород.
Однако этот процесс имеет свои тонкости. Различные элементы обладают неодинаковым химическим сродством (аффинностью). Вещества с высокой тягой к железу называют сидерофильными. Фосфор относится именно к ним: если кислорода недостаточно, P связывается с железом, образуя фосфид железа, и опускается в ядро, становясь недоступным для биосферы.
Избыток кислорода приводит к другому негативному эффекту. Фосфор задерживается в мантии, но азот при этом активно переходит в газовую фазу, улетучиваясь в атмосферу и впоследствии рассеиваясь в космосе.
Моделирование подтверждает наличие крайне узкого «окна» концентрации кислорода, при котором и азот, и фосфор удерживаются в мантии каменистой планеты. И Земля находится в самой середине этого диапазона.
«Наши расчеты наглядно демонстрируют: Земля идеально вписывается в эти параметры. Малейшее отклонение в уровне кислорода в период формирования ядра — и фосфора или азота было бы недостаточно для возникновения жизни», — утверждает Уолтон.
Эту критическую зависимость исследователи называют «нутриентным профилем». Он формируется под влиянием исходного состава звездной системы, трансформации состава самой планеты в ходе её роста и распределения элементов между оболочками в зависимости от фугитивности кислорода.
Если Земля находится в зоне химического благополучия, то нашему соседу, Марсу, повезло меньше. Моделирование указывает на то, что уровень кислорода на Красной планете вышел за пределы нормы. Это предопределило его облик: в марсианской мантии фосфора больше, чем в земной, однако азота катастрофически мало. С точки зрения современной биологии, у Марса изначально не было шансов на успех.
Хотя у науки пока нет исчерпывающих данных о составе марсианской мантии, косвенные измерения марсоходов подтверждают гипотезу. Содержание фосфора в местных породах сопоставимо с земным или чуть ниже, тогда как расчетные концентрации азота указывают на его серьезный дефицит.
Данная работа демонстрирует, что наличие воды на поверхности — лишь верхушка айсберга. Экзопланета может миллиарды лет обладать океанами, находясь в температурной зоне обитаемости, но при этом оставаться «химически мертвой» из-за состава своих недр.
Это открытие задает новый вектор в поиске внеземных цивилизаций. Используя современные телескопы, астрономы могут оценивать химический состав звезд. Поскольку планеты наследуют строительный материал своей звезды, светила, чей состав значительно отличается от солнечного, вряд ли смогут обладать обитаемыми мирами.
«Это делает наши поиски более таргетными, — резюмирует Уолтон. — Мы должны сосредоточиться на звездных системах, которые максимально напоминают наше Солнце».
Помимо прикладных задач, работа проливает свет на перспективы жизни во Вселенной в целом. Химическая зона обитаемости может объяснить, почему жизнь во Вселенной встречается крайне редко или вовсе уникальна.
Понимание факторов, делающих Землю уютным домом, становится всё более глубоким. Обитаемость — это не просто вода, магнитный щит, тектоника плит или углеродный цикл, а сложнейшее сочетание сотен переменных.
«Дефицит азота или фосфора на этапе пребиотической химии создает непреодолимый барьер для возникновения жизни. Организм может адаптироваться к суровым условиям пустыни, но для самого его зарождения необходима максимально благоприятная среда», — поясняют авторы.
Представление о том, что жизнь во Вселенной неизбежна из-за колоссального числа планет, постепенно сменяется более осторожным подходом. Земля представляется миром, где миллионы факторов сложились в уникальный пазл.
«Земля — это планета, где совместное наличие P и N было оптимизировано самой природой. Это делает её исключительным примером земного мира, несмотря на кажущуюся усредненность её общих характеристик», — подытоживают ученые. Дальнейшие поиски должны быть направлены на миры, сформированные в условиях, максимально близких к земным.
«Особое значение имеет оценка фугитивности кислорода на экзопланетах в момент формирования их ядер. Именно этот параметр предопределяет содержание фосфора в мантии и станет ключом к расшифровке биосигнатур в далеких звездных системах», — заключают исследователи.
