Кислород не может служить надёжным признаком жизни

Кислород не может служить надёжным признаком жизни

В НАСА (и не только) не без оснований уверены, что в ближайшие годы астрономы получат телескопы, с помощью которых смогут анализировать состав атмосфер небольших твёрдых экзопланет, по главным параметрам близких к нашей Земле. И это поднимает давний вопрос о возможности обнаружения на них следов жизни, включая наличие воды и кислорода. Второе, кажется, даже важнее первого, поскольку в той же Солнечной системе тел, богатых жидкой водой, много больше, чем тел со значимой кислородной атмосферой. Последних, строго говоря, нет вовсе — лишь то тело, на котором мы живём.

И это внушает «кислородный оптимизм»: свободный О₂ считается весьма надёжным признаком обитаемости. Это не аргон или, к примеру, азот, то есть вовсе не инертный газ, который, единожды попав в атмосферу той же Земли, сохраняется там миллиарды лет. Кислород без непрерывной внешней подпитки будет быстро связан горными породами, после чего исчезнет из атмосферы без следа. Бесспорно, теоретики приготовили несколько сценариев присутствия абиотического кислорода, однако...

Так, в богатой углекислым газом атмосфере возможно накопление кислорода за счёт действия ультрафиолета на CO₂, но это может произойти только возле некоторых звёзд, с увеличенным компонентом жёсткого ультрафиолетового излучения в спектре, и на планетах у таких светил фиксация следов кислорода определённо вызовет вопрос о его абиотической природе.

Есть и другой путь накопления свободного кислорода в атмосфере. В частности, там, где много воды в стратосфере, а сама экзопланета близка к внутреннему краю зоны обитаемости, испаряющаяся вода будет расщепляться ультрафиолетом в верхних слоях атмосферы. Получившийся водород улетит в космос, а кислород в основной массе останется «на месте». Опять же сценарий этот вряд ли будет слишком распространён: чтобы наработать так много кислорода, планета должна находиться на внутреннем крае расчётной обитаемой зоны, то есть и здесь вопрос об абиотическом происхождении кислорода будет поднят сразу после фиксации его следов. Так что же, нет индикатора жизни более надёжного, чем кислород?

Робин Уордсворт (Robin Wordsworth) и Рэймонд Пьергумберт (Raymond Pierrehumbert) из Чикагского университета (США) попробовали представить себе такую ситуацию, когда жизни, занимающейся фотосинтезом, на поверхности планеты нет, а кислород в её газовой оболочке всё равно имеется.

Начнём с основ: Земля удерживает свою воду, теряя её очень неохотно из-за существования так называемой холодной ловушки. В атмосфере планеты многие газы и водяной пар при снижении температуры начинают интенсивно конденсироваться на холодной поверхности, причём при таких условиях, когда до обычной конденсации паров дело бы ещё не дошло. Авторы работы проанализировали этот процесс и пришли к выводу, что эффективность «холодной ловушки» для планет земного типа резко колеблется в зависимости от того, какие ещё газы — кроме того же кислорода и водяного пара — и в каком количестве есть в их атмосфере.

Так, при чисто азотной атмосфере и давлении, равном земному, верхние слои атмосферы насыщаются водой (с появлением абиотического кислорода в результате фотолиза ультрафиолетом) лишь при 340 К, что несовместимо с зоной обитаемости. А вот при давлении, равном 0,1 земного, стратосфера насыщается водяным паром уже при 295 К, то есть при температуре, как раз свойственной планетам в зоне обитаемости. Таким образом, астрономические наблюдения в таких условиях зарегистрируют следы кислорода, даже если никакой жизни на планете нет.

При давлении в 0,01 земного (примерно соответствует марсианскому) азотная атмосфера не помешает насыщению стратосферы водой уже при 255 К. Иначе говоря, даже для планеты, находящейся на самом внешнем краю зоны обитаемости, обнаружение кислорода вполне возможно, хотя там, быть может, никто и не думал заниматься фотосинтезом.

Ещё хуже ситуация там, где атмосфера состоит в основном не из азота или аргона, а из других газов. Жёстче всего выглядит сценарий, когда в газовой оболочке будут доминировать пары воды: в этом случае «холодная ловушка» вообще перестанет работать, да и при малой доле других газов она будет серьёзно «сбоить». Следовательно, водяной пар быстро попадёт под обстрел ультрафиолетом, что приведёт к интенсивному образованию кислорода. Процесс этот остановится только тогда, когда кислорода станет настолько много, что «холодная ловушка» начнёт функционировать с достаточной эффективностью, и это, по расчётам авторов, может соответствовать концентрации кислорода, наблюдаемой в земной атмосфере.

А как же быть с тем, что кислород окисляет поверхностные породы и тем самым связывается? Ведь это вроде бы должно помешать ему накапливаться на необитаемых планетах. Как замечают авторы, в случае расчётной орбиты, соответствующей земной, за 4 млрд миллиарда лет фотолиза воды в верхних слоях атмосферы планета может потерять одну треть от того Н₂О, что есть сегодня в земных океанах. В итоге в атмосфере скопится столько кислорода, что создаст давление в 66,2 современного земного, то есть из такой условной планеты получится нечто вроде кислородной Венеры. При таком колоссальном накоплении окислителя поверхность будет настолько обогащена кислородом, что не сможет дальше его связывать с такой скоростью, с которой его нарабатывает фотолиз воды в стратосфере. То есть при действительно «неудачном» химическом составе газовой оболочки процессы окисления горных пород не смогут помешать появлению абиотической кислородной атмосферы.

Причём всё это справедливо не только тогда, когда газовая оболочка состоит исключительно из водяного пара, но и вообще при любом сценарии, когда у планеты на орбите, идентичной земной, содержание азота в атмосфере упадёт ниже нескольких процентов. То есть, уверены авторы, вообще любая планета, во всём подобная Земле, но бедная азотом (ниже нескольких процентов от земного), будет обречена на накопление гигантского избытка абиотического кислорода.

Далее. Нет никаких оснований полагать, что экзопланетные атмосферы будут столь же богаты азотом, как земная. Учёные ссылаются на пример Солнечной системы, где соотношение атмосферного азота к массе планеты резко колеблется. Если принять Землю за единицу, то для Венеры этот показатель равен 3,3, а для Марса — всего 0,00066. Глядя на эти цифры, авторы полагают, что вариант полного отсутствия азота не так уж невероятен.

Таким образом, для надёжного отделения планет с абиогенным кислородом от планет с кислородом биогенным, полагают они, нужно сначала точно определить в атмосфере экзопланеты соотношение азот — кислород или аргон — кислород. Сделать это в теории можно посредством спектрального анализа, однако на практике такая работа значительно сложнее, чем простое выявление кислорода. Всё это серьёзно усложняет гарантированное обнаружение кислорода как биомаркера.

Заметим, что рассматриваемый анализ, по сути, является первым, показывающим в деталях, как именно кислород может стать значимым элементом газовой оболочки практически любой твёрдой планеты в зоне обитаемости, и это, несомненно, весьма ценно. В то же время анализ во многом касается планет с массой, толщиной атмосферы и инсоляцией, идентичным земным. А большинство твёрдых планет Вселенной, вращающихся вокруг красных карликов, несомненно, могут иметь несколько иную динамику атмосферных процессов и фотолиза воды в стратосфере. Поэтому проецировать на них эти выводы надо с осторожностью.

Не вполне понятна и ссылка на отсутствие азота на Марсе. Да, тамошняя газовая оболочка отличается от земной не только дефицитом азота. К примеру, углекислого газа в кубометре местного «воздуха» в 23 раза больше, и только из этого следует, что слабая гравитация четвёртой планеты — ключевой фактор, определяющий доминирование в ней тех или иных газов. Всего 4 млрд лет назад того же кислорода там было много больше, однако сегодня он в основном потерян. Очевидно, нечто подобное могло произойти и с более лёгким азотом, удержать который гравитации Марса было ещё тяжелее. Таким образом, ссылаться на Марс можно только в том случае, если бы тяготение на нём не равнялось 0,3 земного, а хотя бы соответствовало венерианскому, чего, конечно, нет. В связи с этим тезис о возможности существования на телах земной массы атмосферы, в которой доля азота и аргона не превышает нескольких процентов, нуждается в более основательных аргументах.

Ну а сам тезис о кислороде как лучшем из возможных биомаркеров уже критиковался. Достаточно напомнить, что Земля стала кислородной лишь во второй половине своей истории, а жизнь на ней явно возникла в первой. Не так давно группа геологов во главе с Тимоти Лайонзом (Timothy Lyons) из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) попыталась сравнить распределение органического углерода в осадочных породах архея (4,0–2,5 млрд лет назад) с неогеновым (23,030–2,588 млн лет назад) и получила почти одинаковые цифры. Из этого следует, что биопродуктивность в основном бескислородном мире ранней Земли и в мире той же Земли, но уже вполне кислородной и с биосферой, развившейся до австралопитеков, могла быть вполне сравнимой. Иными словами, не только наличие кислорода может не означать присутствия жизни, но и отсутствие этого самого кислорода трудно считать надёжным сигналом отсутствия процветающей жизни.

Более того, Лайонз и Ко подводят нас к мысли, что значительную часть того же архея на Земле были и фотосинтетические организмы, существование которых, однако, не вело к образованию богатой кислородом атмосферы. Основную часть производимого ими кислорода связывали газы, выбрасываемые вулканами (те же сероводород, сернистый газ и метан). Лишь после того как земные вулканы успокоились, кислород начал интенсивно накапливаться и со временем стал вторым по распространённости газом. Если этот сценарий соответствует действительности, то даже сравнительно сложная фотосинтетическая жизнь может быть успешно замаскирована геохимическим процессами до состояния, когда её будет весьма непросто найти по следам кислорода в атмосфере.

С препринтом рассмотренной работы можно ознакомиться здесь.

Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.