Чому не всі кам'яні планети можуть підтримувати життя?

Міжнародна група науковців проаналізувала, як процес формування ядра планети впливає на доступність двох базових для життя елементів – фосфору та азоту. Саме вони лежать в основі біохімії: фосфор потрібен для побудови ДНК і клітинного енергетичного обміну, тоді як азот – для амінокислот і білків, йдеться у великому дослідженні, яке 10 лютого з'явилося в журналі Nature.

Дивіться також Зовсім близько до Землі може бути екзопланета, придатна до життя

Дослідження показує, що під час ранньої історії планети, коли вона перебуває у стані глобального магматичного океану, металеве ядро відокремлюється від мантії. У цей момент значна частина хімічних елементів може або залишитись у мантії, або назавжди "заховатися" в ядрі. Якщо стається друге, елементи стають практично недоступними для поверхні й, відповідно, для життя.

Ключовим параметром у цьому процесі виявилась окиснювально-відновна обстановка, або киснева фугітивність.

  • За надто відновних умов фосфор активно переходить у металеве ядро, залишаючи мантію майже порожньою.
  • За надто окисних умов ситуація змінюється – фосфору стає багато, але азот або не затримується в мантії, або швидко втрачається в космос після дегазації атмосфери.

У результаті формується дуже вузький діапазон умов, у якому і фосфор, і азот присутні в мантії у кількостях, достатніх для підтримки біосфери. Дослідники називають його "хімічною зоною Золотоволоски" – не надто відновною і не надто окисною.

Що таке зона Золотоволоски

Це область навколо зірки, де умови на поверхні планети дозволяють воді існувати в рідкому стані, що є ключовою умовою для можливого існування життя. Назва походить від англійської казки про Золотоволоску, де головна героїня шукає речі "якраз підхожі" – не надто гарячі і не надто холодні, а саме те, що треба. Астрономи використовують цей термін з 1970-х років для позначення космічних регіонів, де планета знаходиться не надто близько до зірки (де було б занадто спекотно) і не надто далеко (де було б занадто холодно), а на оптимальній відстані для підтримання сприятливих для життя умов. Земля є прикладом планети, що перебуває в зоні Золотоволоски навколо Сонця.

Земля, за результатами моделювання, ідеально потрапляє в цю хімічну зону Золотоволоски. Більше того, вчені показують, що навіть незначні відхилення від земних умов можуть призвести до падіння концентрації фосфору в мантії на кілька порядків.

Для біології це критично: навіть кількаразові зміни в доступності фосфору або азоту здатні радикально змінити масштаби та активність біосфери на тривалі періоди.

Де шукати життя

Окрему увагу дослідження приділяє екзопланетам. Аналіз зоряних складів показує, що варіації в початковій кількості фосфору та азоту у планетних системах існують, але вони значно менші за ефект, який створює саме процес формування ядра. Іншими словами, те, як планета формувалась, важливіше за те, з чого вона починала.

Автори також зазначають, що світи з надзвичайно відновними умовами – зокрема гіпотетичні океанічні субнептуни з водневою атмосферою – можуть бути бідними не лише на фосфор, а й на доступний азот. Це робить виникнення землеподібного життя на таких планетах малоймовірним, навіть якщо там є вода.

Ці результати показують нам, що придатні для життя планети є рідкісними, а пошук біосигнатур потребує врахування не лише атмосфери, а й глибинної геохімії планет.