Почему не все каменные планеты могут поддерживать жизнь?

Международная группа ученых проанализировала, как процесс формирования ядра планеты влияет на доступность двух базовых для жизни элементов – фосфора и азота. Именно они лежат в основе биохимии: фосфор нужен для построения ДНК и клеточного энергетического обмена, тогда как азот – для аминокислот и белков, говорится в большом исследовании, которое 10 февраля появилось в журнале Nature.

Смотрите также Совсем близко к Земле может быть экзопланета, пригодная к жизни

Исследование показывает, что во время ранней истории планеты, когда она находится в состоянии глобального магматического океана, металлическое ядро отделяется от мантии. В этот момент значительная часть химических элементов может либо остаться в мантии, или навсегда "спрятаться" в ядре. Если происходит второе, элементы становятся практически недоступными для поверхности и, соответственно, для жизни.

Ключевым параметром в этом процессе оказалась окислительно-восстановительная обстановка, или кислородная фугитивность.

  • При слишком восстановительных условиях фосфор активно переходит в металлическое ядро, оставляя мантию почти пустой.
  • При слишком окислительных условиях ситуация меняется – фосфора становится много, но азот либо не задерживается в мантии, либо быстро теряется в космос после дегазации атмосферы.

В результате формируется очень узкий диапазон условий, в котором и фосфор, и азот присутствуют в мантии в количествах, достаточных для поддержания биосферы. Исследователи называют его "химической зоной Златовласки" – не слишком восстановительной и не слишком окислительной.

Что такое зона Златовласки

Это область вокруг звезды, где условия на поверхности планеты позволяют воде существовать в жидком состоянии, что является ключевым условием для возможного существования жизни. Название происходит от английской сказки о Златовласке, где главная героиня ищет вещи "как раз подходящие" – не слишком горячие и не слишком холодные, а именно то, что надо. Астрономы используют этот термин с 1970-х годов для обозначения космических регионов, где планета находится не слишком близко к звезде (где было бы слишком жарко) и не слишком далеко (где было бы слишком холодно), а на оптимальном расстоянии для поддержания благоприятных для жизни условий. Земля является примером планеты, находящейся в зоне Златовласки вокруг Солнца.

Земля, по результатам моделирования, идеально попадает в эту химическую зону Златовласки. Более того, ученые показывают, что даже незначительные отклонения от земных условий могут привести к падению концентрации фосфора в мантии на несколько порядков.

Для биологии это критично: даже неоднократные изменения в доступности фосфора или азота способны радикально изменить масштабы и активность биосферы на длительные периоды.

Где искать жизнь

Отдельное внимание исследование уделяет экзопланетам. Анализ звездных составов показывает, что вариации в начальном количестве фосфора и азота в планетных системах существуют, но они значительно меньше эффекта, который создает именно процесс формирования ядра. Другими словами, то, как планета формировалась, важнее того, с чего она начинала.

Авторы также отмечают, что миры с чрезвычайно восстановительными условиями – в частности гипотетические океанические субнептуны с водородной атмосферой – могут быть бедными не только на фосфор, но и на доступный азот. Это делает возникновение землеподобной жизни на таких планетах маловероятным, даже если там есть вода.

Эти результаты показывают нам, что пригодные для жизни планеты являются редкими, а поиск биосигнатур требует учета не только атмосферы, но и глубинной геохимии планет.