Жизнь перед Ферми — Возвращение в Солнечную систему

Dr David L Clements Astrophysics Group, Blackett Lab, Physics Department, Imperial College, Prince Consort Road, London SW7 2AZ, UK

Краткое изложение

Существование разума, межзвёздных путешествий и заселение жизни — это ключ к решению парадокса Ферми. До сих пор, поиск данных о жизни был сопряжён с техническими трудностями, которые казались нерешаемыми. Однако, новые наблюдательные возможности позволяют судить, что маркеры жизни могут быть получены в течение следующих 20-30 лет. В данной статье, мы перечисляем необходимые, по нашему мнению, ключевые для жизни условия, включая всю историю жизни на Земле — и пытаемся применить их для других тел в нашей Солнечной системе.

Мы считаем, что необходимые для жизни вещества — жидкая вода, источники энергии — очень распространены в нашей Солнечной системе, особенно под ледяными поверхностями спутников газовых гигантов.

Если в Галактике ещё есть такие условия — жизнь во Вселенной распространена, и если разумна, то могла эволюционировать в своей среде, даже без возможности пообщаться с внешним миром.

Введение

Смысл парадокса Ферми (см. Брин, 1983; Харт, 1975) — что обуздавшая космическое пространство цивилизация, расселяясь с обитаемых планет по таким же планетам со скоростями, много меньшими скорости света — могла бы посетить все звёзды Млечного пути в рамках 50-100 миллионов  лет. Это слишком малое время, если сравнивать с возрастом Галактики в (~)10 миллиардов лет, или же с возрастом Солнца в 4,5 миллиарда лет.

Наши гипотетические братья по разуму уже должны были быть среди нас, однако их нет. И это можно использовать как аргумент, что никакой разумной жизни нет (Типлер, 1980, Сандберг и остальные, 2018).

Но, наше существование является доказательством того, что разумная жизнь может (и должна была) зародиться в Галактике. Это — центральное звено парадокса Ферми.

Много гипотез было выдвинуто для решения парадокса Ферми (Брин, 1983; Вебб, 2002, Сандберг и прочие в 2017), но все эти дискуссии были бестолковы при отсутствии наблюдательных данных. Всё может поменяться в следующем десятилетии с помощью таких инструментов, как SKA (Square Kilometer Array), который настолько чувствительный, что мог бы наблюдать радары аэропортов с расстояния 10 парсек (Siemion et al., 2015).

В частности, уже сейчас существуют возможности наблюдательно разрешить парадокс Ферми в нашей Солнечной системе. И сделать это можно на примере зарождения жизни на Земле, с учётом веществ, условий, которые должны были быть, и искать их на других телах нашей Солнечной системы.

Часть 2. Ранняя история Земли и жизни на ней

Датировка возникновения жизни на Земле, это одно из важнейших направлений в палеобиологии и активная область исследований. В последние годы, датировка первейших живых организмов сдвинулась к временам, близким к возникновению Земли.

Окаменевшие строматолиты — слоистые осадочные породы, сформированные слоями фотосинтезирующих бактерий и других остатков дают возможность судить, что жизнь появилась как минимум 3,5 миллиарда лет назад (Schopf, 2006). Недавние исследования отодвигают датировку ещё дальше — на 3,7 миллиарда лет назад (Nutman et al., 2016), то есть, 800 миллионов лет после формирования Земли. Самые ранние датировки и проявления жизни восходят аж к 4,28 миллиардам лет назад, которые основаны на обнаружении микроскопических останков в породах, относящихся к древнему дну моря с геотермальной активностью (Dodd et al., 2017). Всё это позволяет предположить возникновение одноклеточной жизни в период окончания Катархея 4 миллиарда лет назад, и после так называемой Большой бомбардировки — когда на молодую Землю падали астероиды и кометы, следы которой находят внутри Солнечной системы (Bottke & Norman, 2017). Более ранние свидетельства возникновения жизни возможно найдены по результатам изотопного анализа углерода в цирконе из Западной Австралии датировкой в 4,1 миллиарда лет (Bell et al., 2015).

Обнаружение следов жизни на Земле более 4 миллиардов лет назад довольно удивительно, с учётом того, что тогда молодая Земля имела недружелюбную среду с расплавленной поверхностью.

Еcли наши гипотезы о молодой Земле верны, то жизнь может зарождаться в таких условиях и эти условия достаточны для её возникновения. И, без преувеличений, это очень значимый фактор для поиска внеземной жизни и разума — ведь все данные говорят, что жизнь может довольно быстро зародиться и в подобном окружении.

Часть 3. Необходимые для жизни ресурсы

Жизнь на Земле, как мы обычно её видим, основана на фотосинтезе, то есть на свете нашего Солнца. Можно решить, что необходимым условием является доступ к свету на поверхности планеты — в океане или на суше. Но, как мы увидим после, для одного из мест зарождения жизни вполне подойдут геотермальные источники на дне океана.

Эти источники находятся на дне океанов Земли и сейчас — и это оазисы жизни посреди холодных безжизненных недр океана (eg. Lutz & Kennish, 1993). Основной источник энергии для таких сообществ живых существ — хемосинтез, где, в отличие от фотосинтеза, бактерии используют вещества, выходящие с горячей водой из недр Земли. Есть свидетельства, что базальтовые породы населены сообществом хемосинтезирующих бактерий (Lever et al., 2013), что позволяет предположить, что большая часть биосферы Земли находится в толще материков и на километровых глубинах в базальтах под водой, и покрывает до 60% всей поверхности Земли (Edwards et al,, 2012).

С этого момента мы можем заключить, что энергию для жизни можно получать разными путями, независимо от такой формы энергии, как свет.

Открытые Кеплером Суперземли

Другой общий фактор, который применим ко всем биологическим формам на Земле — жидкая вода, которая является универсальным растворителем для всех биологических реакций. И, хотя есть гипотезы о возможности поддержания биологических процессов с помощью других растворителей — аммиака, углеводородов и прочих, нет никаких доказательств в поддержку данных гипотез.

Мы приходим к выводу, что возможные места для жизни в Солнечной системе должны быть ограничены телами с жидкой водой и доступным источником энергии. Несмотря на довольно консервативный взгляд на проблему — мы находим много подходящих мест.

Часть 4. Тела в Солнечной системе

Принимая за основу вышесказанную гипотезу, мы можем оценить размеры потенциальных экосистем на разных телах Солнечной системы, основываясь на объёме воды. Такая экосистема должна иметь источник энергии, чтобы расплавить какую-то часть воды и поддерживать любую возникшую там жизнь. Сводная Таблица 1 показывает объём воды на нескольких телах Солнечной системы. И, хотя значительное количество воды на многих телах представлено в виде льда, это свидетельствует о том, что многие объекты (как Энцелад, Европа, Титан и Ганимед) содержат огромные океаны жидкой воды под слоем ледяной поверхности (Vance et al., 2018; Beuthe et al., 2016; Hurford et al., 2017; Keane et al., 2016; Nimmo et al., 2016). Открытие гейзеров на Энцеладе и Европе, извергающих воду и другие вещества из под-поверхностных океанов (Hanson et al., 2006; Drabek-Muander et al., 2016; Nimmo et al., 2016) являются прямыми свидетельствами о существовании жидкой воды под поверхностью и наличием источника энергии, позволяющим воде оставаться жидкой по крайней мере на этих двух телах. Тем не менее, хотя существует высокая вероятность, что в далёком прошлом на поверхности Марса была жидкая вода, и, возможно, она сохранилась и по сей день, полная оценка количества воды на традиционном для поиска внеземной жизни объекте по-прежнему отсутствует.

Таблица 1: Сводная таблица об объёме воды на нескольких телах Солнечной системы. Следует отметить, что на некоторых телах объёмы воды в несколько десятков раз превышают объём всей воды на Земле. Таким образом, они могут иметь гораздо больше разнообразных биосфер с источником энергии, способным поддерживать воду в жидком состоянии и питать возможную жизнь. Данные Steve Vance: NASA/JPL-Caltech

Удивительный вывод из этих данных, что Земля, которую называют голубой планетой за большое количество воды, на самом деле содержит её в разы меньше, чем ледяные спутники и малые планеты (планеты карлики) в Солнечной системе. Даже Диона, маленький спутник Сатурна, содержит треть от объёма воды на Земле, когда Ганимед содержит её в 40 раз больше.

Часть 5. Итоги и выводы

После того, как мы решили, что вода является необходимой средой для жизни, можно предполагать, что ледяные спутники во внешней Солнечной системе могут иметь больше разнообразных экосистем, чем те, которые присутствуют на Земле. Существуют и другие условия, вроде достаточного источника тепловой энергии, например из-за радиоактивного распада или приливного воздействия — их наличие подтверждается наблюдениями выбросов на Европе и Энцеладе.

Далее, история жизни на Земле показывает, что самые простые одноклеточные прокариоты1 возникли сразу после формирования Земли, как только на ней появились подходящие условия.

Какие выводы из этих результатов применимы для разрешения Парадокса Ферми?

Если объединить все выводы вместе:

  • Быстрое возникновение жизни на Земле предполагает, что жизнь может возникнуть где угодно, если присутствуют необходимые условия;
  • Существуют большое количество подходящих сред обитания внутри ледяных спутников газовых гигантов Солнечной системы;
  • Размеры подходящих сред обитания внутри спутников газовых гигантов гораздо больше, особенно на больших спутниках, как Ганимед и Титан, чем биосфера Земли;

Выводы из этого анализа нашей Солнечной системы показывают, что внутри ледяных спутников может находиться очаг жизни, которую можно обнаружить в Солнечной системе. Тем не менее, такая жизнь, разумная или нет, будет заперта под многокилометровым слоем льда, способная выйти во внешнюю Вселенную только при катастрофических извержениях гейзеров, какие наблюдаются на Энцеладе и Европе.

Существуют указания, что спутники есть и у некоторых экзопланет, и нет никаких препятствий для того, чтобы спутники экзопланет — газовых гигантов, были похожи на те, что мы наблюдаем в нашей Солнечной системе. Следовательно, может существовать бесчисленное множество таких миров, и, можно предположить, что подлёдные океаны экзолун — наиболее распространённые места для жизни в нашей Галактике, нежели землеподобные планеты с твёрдой поверхностью, которые являются скорее исключением, нежели правилом. Перспективы открытий и исследований спутников экзопланет в ближайшей перспективе обнадёживают (Peters & Turner, 2013; Kipping et al., 2009), учитывая данные космического телескопа имени Кеплера или, в особенности, будущих данных космического телескопа имени Джёймса Уэбба.

В контексте Парадокса Ферми стоит отметить, что виды, живущие в воде, могут эволюционировать до крайне интеллектуальных созданий — дельфины и осьминоги прекрасные тому примеры (если точнее, то дельфины эволюционно вернулись в воду). Тем не менее, жидкая среда обитания может быть ограничивающим фактором в создании технологий. Ключевым же фактором в данном контексте является расположение жидких океанов под десятками и сотнями километров водяного льда. И, хотя на некоторых спутниках наблюдаются водяные гейзеры, большие тела, как Титан, Каллисто и Ганимед в нашей Солнечной системе не проявляют подобной активности, вероятно из-за слоя льда более 100 километров толщиной. Скорее всего, невозможно запертому там разуму даже узнать о существовании внешней Вселенной, не говоря о попытках связаться с ней.

Дальнейшее исследование океанов под поверхностью ледяных спутников в нашей Солнечной системе с помощью будущих миссий, таких как JUICE (Jupiter Icy moons Explorer), наземных наблюдений для спектрального анализа следов органических молекул (Drabek-Maunder et al., 2017), или дальнейшего анализа данных миссии Кассини (Postberg et al., 2018), помогут определить обоснованность представленных рассуждений в статье. Последние данные КА Кассини позволяют предполагать наличие сложных биохимических молекул в океане Энцелада, хотя источник остаётся неизвестным.

В конечном итоге, существует перспектива, что галактика населена жизнью, но любая разумная жизнь заперта под непроницаемыми ледяными барьерами, неспособная не только общаться, но и осознавать наличие внешней Вселенной.


Альтернативное решение Парадокса Ферми заключается в том, что простейшая, прокариотная жизнь распространена во Вселенной, а более сложная эукариотная и многоклеточная нет. Эукариоты возникли на Земле 2,7 миллиардов лет назад, много позже возникновения простейшей жизни, тогда как многоклеточные возникли всего около 600 миллионов лет назад.

Оригинальный материал доступен по ссылке.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

15
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии.
Kamal Kabdiev
Участник
Kamal Kabdiev

Слишком соленая вода в этих ледяных лунах для жизни

Valery Tsarov
Участник
Valery Tsarov

Как показывает жизнь на Земле — это не помеха. И нужно учитывать, что вода не равномерно соленая, т.к. более пресная всегда поднимается вверх.

Oleg Lo
Участник
Oleg Lo

» сравнить с возрастом Галактики в (~)10 миллиардов световых лет »
Звучит примерно также, как «Возраст Киева более 1200 километров».
Дело в том, что световой год — это мера расстояния, но ни разу не времени.
Чтобы не было путаницы в головах людей, далёких от измерения больших
расстояний, ИМХО, лучше использовать единицу измерения ПАРСЕК
(расстояние, с которого радиус орбиты Земли виден под углом в одну
угловую секунду) и равен, с точностью, достаточной для популярных статей,
3,25 светового года.

Эд Заворыкин
Участник
Эд Заворыкин

Самое интересное объяснение парадокса Ферми, которое мне попадалось, было у китайского фантаста Лю Цысиня в «Задаче трех тел» и последующих двух книгах. Как в темном лесу, разумная жизнь распространена повсеместно, но боится проявить себя, чтобы не быть уничтоженной другими потенциально более развитыми цивилизациями. Хочешь выжить — сиди тихо! А человечество, как кричащий младенец, уже отправило в космос кучу радиосигналов и артефактов своего существования. В общем, очень-очень рекомендую почитать!

Андрей Булавский
Участник
Андрей Булавский

ну какие миллионы световых лет? В оригинале просто 50-100 млн. лет.
Читаю оригинал, в общем.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.