Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 46. Условия для зарождения и развития жизни на планетах и их спутниках.

      Поставленная в заголовке проблема многогранна. Во-первых, мы должны понять на каких химических элементах будет в основном строиться жизнь. Во-вторых, разобраться, в каких типах  внешней среды и при каких внешних условиях она будет строиться и развиваться. В-третьих, понять, каким будет обратное влияние развивающейся жизни на окружающую ее среду. Поэтому этот пост коротким не будет. И полного ответа, особенно на третий вопрос, мы здесь не получим. Но достаточно понятный образ в своих мозгах создадим.

      1. Базовый элемент.
      Жизнь должна выбрать химический элемент, на базе которого она будет строить для своего функционирования молекулы нужной ей сложности. Очевидные критерии выбора - максимально возможные распространеность в природе и валентность. Первая пятерка элементов по распространенности в природе (по числу атомов) выглядит так: одновалентный водород, нейтральный гелий, двухвалентный кислород, четырехвалентный углерод (60,5% от кислорода), трехвалентный азот (12,5% от кислорода). Отсюда видно, что базовым для создания жизни элементом должен был стать углерод. Ибо при вполне достаточном изобилии валенность его максимальна.

      Конкурентом углероду мог бы стать кремний. Он тоже четырехвалентен. Но атомов кремния в природе в девять раз меньше, чем атомов углерода. Вдобавок у кремния есть еще один недостаток - энергия связи атомов кремния между собой примерно вдвое меньше энергий связи кремния с кислородом, азотом и другими элементами. Из-за чего устойчивые длинные молекулы на кремнии построить практически невозможно. В то время, как энергии связей углерода с углеродом, азотом и кислородом близки по величине. Поэтому Вселенная в качестве базового элемента выбрала углерод. И не прогадала.

      2. Растворитель.
      Любые химические реакции гораздо интенсивнее идут в жидкости, чем в газе и, тем более, в твердом теле. Поэтому для зарождения и развития Жизни нужна жидкость-растворитель. Химически нейтральная. Земля выбрала в качестве такого растворителя воду. Теоретически возможны и другие варианты - аммиак, метан и другие.

      У воды есть один недостаток - при замерзании она расширяется (плотность водяного льда меньше плотности воды). Что губительно сказывается на содержащих воду живых организмах. У таких веществ, как аммиак и метан, этого недостатка нет. Но есть другой - они могут находиться в жидкой фазе при заметно более низких температурах. При которых скорость химических реакций существенно меньше.

      3. Зона Златовласки.
      Так называют зону (интервал расстояний от материнской звезды), в которой вода может существовать в жидкой фазе на каменных планетах с массами, не слишком значительно отличающимися от массы Земли. Наглядно эта зона для звезд разной массы показана на этой картинке:



      Рис.1. Зона "Златовласки". Звезды массы более двух масс Солнца слишком короткоживущи - на их планетах минимально "продвинутая" жизнь возникнуть не успеет. У звезд массы менее трети массы Солнца планеты в зоне "Златовласки" приливным захватом будут постоянно обращены к материнской звезде одной стороной (как Луна к Земле) и потому вряд могут позволить себе обзавестись жизнью. К тому же столь маломассивные звезды часто и резко меняют свою светимость, что губительно для жизни. Земля расположена практически в середине этой зоны. А Марс и Венера - на ее границах.

      4. Преобразование атмосферы и коры планеты Жизнью.
      Зарождающаяся на каменной планете жизнь использует воду на поверхности планеты, углекислый газ из ее атмосферы и фотоны родительской звезды. Простейшим примером такого использования может служить реакция фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О + свет (фотон) => С6Н12О6 (глюкоза) + 6О2, в результате которой из атмосферы выбывает углекислый газ и в нее впрыскивается молекулярный кислород. Хватит ли углекислого газа на таких планетах для зарождения Жизни?
      Дать единый ответ на этот вопрос для всей Вселенной вряд ли можно. Но что показвает опыт солнечной системы? На Марсе и на Венере, где следов жизни не видно, доля углекислого газа в атмосфере не менее 95 %, а доля азота - до 3% (остальное мелочь). На Земле, судя по геологическим данным изначально было так же. А затем жизнь интенсивно выедала из атмосферы углекислый газ. Что иллюстрирует этот график:



     Рис.2. Эволюция состава земной атмосферы по геологическим данным.

      Возникает, правда, вопрос - а куда девался сгенерированный жизнью за первые два с лишним миллиарда лет молекулярный кислород? Геологи дают такой ответ - кислород шел на окисление горных пород и изрыгаемых вулканами газов. Действительно, многие полезные ископаемые включая и железо человек добывает из земли в виде окислов. И только по завершении этих процессов кислород начал накапливаться в атмосфере.

      5. О возможности зарождения и развития Жизни на Юпитере, Сатурне и их спутниках.
      Юпитер, Сатурн и их спутники находятся вне зоны Златовласки. Но это однозначно не запрещает зарождения и развития на них Жизни. Поскольку углерода, как базового элемента, везде много, температурный режим может определяться не только Солнцем, но и энергией недр планеты, а роль жидкости-растворителя может выполнять не только вода, но и ряд других веществ в жидкой фазе. Или газовая среда достаточно высокой плотности. Любопытным с этой точки зрение является результат прямого изучения зондом "Галилео" атмосферы Юпитера (1995):



      Рис.3. Измерения зонда "Галилео" в атмосфере Юпитера (1995). Этот график - к вопросу о возможности зарождения жизни во внутренних слоях атмосфер планет - газовых гигантах согласно гипотезе Карла Сагана (сфантазирована в 1970-х). В том числе, в условиях, когда роль "растворителя" играет не вода, а аммиак (NH3).

      Из этого графика видно, что при температурах, терпимых земной жизнью, в облаках водяного пара атмосферы Юпитера давление порядка десятка атмосфер. И плотность тамошнего "воздуха" тоже на порядок выше плотности земной атмосферы. Не густо. Но вот в модели атмосферы Урана давление и плотность газа (в основном водяного пара) при таких же температурах, как минимум, на два порядка выше, чем в земной атмосфере. Что по плотности уже гораздо ближе к плотности жидкой фазы воды.

      В последние годы усилилось обсуждение возможности существования жизни на спутниках Юпитера и Сатурна с глубокими подледными океанами. Таких, как Энцелад, Европа и ряд других. Толщина льда на них может достигать 20-30 км, а глубина подледных океанов - 50-100 км. На Европе (спутнике Юпитера) воды в этом океане даже больше, чем на Земле.

      Европа, хоть и больше Луны, но относительно невелика. И потому энергии ее недр в условиях большой удаленности от Солнца явно не хватило бы для поддержания жизни в ее подледных океанах на те миллиарды лет, которые существует солнечная система и сама Европа. Есть, однако, практически вечный источник энергии, работающий на возможность поддержания жизни на Европе. Это резонансные приливные деформации от соседних Европе спутников Юпитера - Ио и Ганимеда. Период обращения Ио вокруг Юпитера ровно вдвое меньше, чем у Европы. А период обращения Ганимеда ровно вдвое больше, чем у Европы. В результате резонансное растяжение-сжатие Европы и соответствующий этим деформациям разогрев ее недр получают непрерывный источник энергии. В результате чего в придонном слое подледного океана могут образовываться гейзеры горячей воды, насыщенной множеством разных химических элементов. Подобные "черным курильщикам" на дне земных океанов.

      Многократные пролеты КА "Кассини" мимо Титана (крупнейшего спутника Сатурна) и на завершающей стадии этих пролетов посадка спускаемого аппарата "Гюйгенс" на Титан разогрели дискуссию о возможности существования жизни на Титане. Давление атмосферы Титана почти в 1,5 раза выше земного, а ее температура у поверхности Титана лежит в интервале минус 170-180 градусов по Цельсию. Атмосфера состоит из азота с малой примесью метана. На поверхности Титана есть озера и реки из смеси метана и этана.

      Состав самой поверхности Титана - в основном водяной лед. Возможно, что под под ледяной корой существует, как и на Европе, глубокий водяной океан. В котором, как и на Европе, тоже может возникнуть жизнь. Но, кроме того, жизнь может возникнуть и в метано-этановых озерах. Тормозящим фактором для этого процесса будет лишь низкая температура, из-за чего скорость химических реакций будет довольно низкой.

      6. О гипотезе панспермии.
      Существует точка зрения, согласно которой жизнь, пусть даже в самой примитивной форме, была занесена на Землю с других небесных тел или даже напрямую из межзвездной среды. Просто откинуть ее нельзя. Но привести доводы против - имеет смысл. Эти доводы таковы:
1. В межзвездной среде самые сложные из обнаруженных до сих пор органических молекул - 13-атомные цианополиин НС11N и бензонитрил С6Н5СN. Поэтому всерьез рассматривать межзвездную среду как источник жизни на Земле не стоит.
2. В солнечной системе Земля находится в самых благоприятных условиях для зарождения жизни. Поэтому предполагать, что на каких то иных ее телах (Марсе, Венере, планетах-гигантах и их спутниках) жизнь зародилась раньше, а затем была перенесена на Землю, явно не логично.
3. Перенос жизни с планет других звезд чрезвычайно маловероятен. Поскольку в окрестности Солнца плотность звезд не более 0,02 штук на кубический световой год. И к тому же лишь малая их часть старше Солнца. А Солнце и его планеты образовались примерно 4,5 млрд. лет назад. И по утверждению геологов самые древние следы Жизни на Земле имеют возраст примерно в 4,1 млрд. лет. Разумеется, эти доводы не перечеркивают окончательно гипотезу панспермии. Но делают ее крайне маловероятной.

Tags: Начала физики
Subscribe

  • Первые жертвы Первой мировой - царицынские бабы.

    Первая мировая война началась 28 июля 1914 года. А первые ее жертвы случились в Царицыне за неделю до ее начала. Не солдаты, а простые царицынские…

  • Раскладушка Тутанхамона.

    Я, ничтоже сумняшеся, полагал, что раскладушка - изобретение советской эпохи. Ибо спал на ней с детства до переселения в студобщагу. Да иногда и…

  • Творцы просвещения...

    Просветительская деятельность скоро будет запрещена жестко цензурироваться. Наивные протестанты сочли, что это цензурирование…

promo moralg march 5, 2018 03:01 46
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 35 comments

  • Первые жертвы Первой мировой - царицынские бабы.

    Первая мировая война началась 28 июля 1914 года. А первые ее жертвы случились в Царицыне за неделю до ее начала. Не солдаты, а простые царицынские…

  • Раскладушка Тутанхамона.

    Я, ничтоже сумняшеся, полагал, что раскладушка - изобретение советской эпохи. Ибо спал на ней с детства до переселения в студобщагу. Да иногда и…

  • Творцы просвещения...

    Просветительская деятельность скоро будет запрещена жестко цензурироваться. Наивные протестанты сочли, что это цензурирование…