Гипотетические миры, получившие название «гикеанские» (от слов «водород» и «океан»), представляют собой экзопланеты, почти полностью или целиком покрытые океанами и окруженные плотными водородными атмосферами. Эти небесные тела вызывают огромный интерес у ученых, так как водородная атмосфера способна удерживать достаточно тепла для существования жидкой воды даже за пределами традиционных зон обитаемости. Благодаря этому, гикеанские миры рассматриваются как многообещающие кандидаты для потенциальной поддержки микробной жизни.
Первые намеки на существование подобных миров появились благодаря миссии «Кеплер», обнаружившей множество планет-кандидатов, которые могли бы быть гикеанскими. Хотя «Кеплер» и не смог с уверенностью подтвердить ни один из них, он заложил основу для дальнейших исследований. Значительный шаг вперед был сделан с запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Наблюдения JWST предоставили весомые аргументы в пользу гипотезы о гикеанских мирах, обнаружив углекислый газ (CO2) и метан (CH4) в атмосфере планеты-кандидата K2-18b. Обнаружение CO2 и CH4 особенно важно, поскольку в условиях, сходных с земными океанами, они могут являться биосигнатурами, указывающими на присутствие микробной жизни. Таким образом, K2-18b стала одной из самых обсуждаемых кандидатов в гикеанские миры.
Новое исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, и проведенное Эмили Дж. Митчелл из Кембриджского университета и Никку Мадхусудханом из того же университета, углубляется в вопрос о потенциале гикеанских миров для эволюции жизни. Работа под названием "Prospects for Biological Evolution on Hycean Worlds" исследует, как термодинамические условия этих миров могут влиять на развитие жизни. В центре исследования лежит метаболическая теория экологии (MTE), используемая для анализа того, как простейшие формы жизни могут эволюционировать при различных температурных режимах.
Метаболическая теория экологии (MTE) базируется на фундаментальном принципе: метаболический уровень организма является определяющим фактором его выживания и процветания. MTE применима к широкому спектру биологических процессов – от индивидуальных до популяционных и даже на уровне целых сообществ. Ключевым фактором, влияющим на метаболизм, является температура. Предыдущие исследования показали, что повышение температуры в обитаемых средах, как правило, стимулирует биологическую активность, по крайней мере, до определенного предела.
В рамках нового исследования Митчелл и Мадхусудхан сфокусировались на нескольких ключевых вопросах, связанных с гикеанскими мирами: как температура поверхности океана влияет на эволюцию земных одноклеточных организмов на этих планетах, сколько времени может потребоваться для возникновения жизни, подобной земной, и как различные температуры влияют на возможность обнаружения биосигнатур. Особое внимание было уделено биосигнатуре диметилсульфида (DMS). На Земле DMS тесно связан с фитопланктоном и обладает уникальным спектральным сигналом, который потенциально может быть обнаружен JWST в атмосферах экзопланет. Фитопланктон, в свою очередь, является основным источником ключевых биомаркеров, таких как DMS, в земной атмосфере.
Среди ключевых групп фитопланктона, рассмотренных в исследовании, были цианобактерии (сине-зеленые водоросли), метанококки (метаногены) и диатомовые водоросли (ответственные за выработку около 50% кислорода на Земле ежегодно). Особое внимание было уделено Aquificota – филуму бактерий, в частности роду Aquifix, как аналогу ранней жизни на Земле. Бактерии Aquifix, обитающие как в пресной, так и в морской воде, способны производить воду, окисляя водород. Именно Aquifix был выбран в качестве модельного организма для расчета скорости эволюции на протяжении 4,3 миллиарда лет.
Ключевые выводы исследования Митчелл и Мадхусудхана указывают на высокую чувствительность скорости эволюции и времени возникновения жизни к температуре океана. Незначительные изменения температуры поверхности океана оказывают значительное влияние на эти параметры. В частности, при повышении температуры океана на 10 Кельвинов (K) относительно земной, скорость эволюции возрастает более чем в два раза. Это ускорение приводит к тому, что ключевые одноклеточные группы, такие как археи и бактерии, могут появиться уже через 1,3 миллиарда лет после возникновения жизни (ВЖ). Все основные группы организмов могут возникнуть к 1,19 миллиарда лет после ВЖ, а ключевые группы фитопланктона – к 1,28 миллиарда лет после ВЖ.
Иная картина наблюдается при понижении температуры океана. Уменьшение температуры на 10K относительно земной приводит к замедлению эволюции – скорость эволюции снижается вдвое. В этом случае появление ключевых форм жизни задерживается на несколько миллиардов лет. К 4 миллиардам лет после ВЖ на таких планетах могут эволюционировать только бактерии и археи, но кислородный фотосинтез и эукариоты, вероятно, еще не появятся. Это, в свою очередь, влияет на проявление, интенсивность и обнаружимость биосигнатур.
Центральным выводом исследования стало понимание того, что лишь узкий диапазон условий окружающей среды допускает широкий спектр скоростей эволюции и времени возникновения жизни. Разнообразие атмосферных условий на гикеанских мирах может привести к значительному разнообразию микробной жизни. Более теплые гикеанские миры потенциально могут способствовать возникновению новых клад организмов значительно быстрее, чем это происходило на Земле.
Полученные результаты имеют важные последствия для поиска жизни за пределами Земли. Если гикеанские миры действительно существуют, они, как выразился Карл Саган, могут буквально «кишеть жизнью». Жизнь на них может возникать в гораздо более короткие сроки по сравнению с земными. Кандидаты в гикеанские миры, включая K2-18b, возраст которой оценивается в 2,4 миллиарда лет, могут обладать более теплыми океанами и условиями, благоприятными для возникновения и поддержания ключевых одноклеточных групп. Это делает их приоритетными целями в поисках биосигнатур. Более того, более теплые планеты потенциально могут демонстрировать более сильные атмосферные биосигнатуры из-за более сложных и быстро эволюционирующих биосфер.
Важно отметить, что проведенное исследование имеет определенные ограничения. Оно рассматривало относительно узкий диапазон температур и физических условий, ориентируясь на земные аналоги. Реальность обитаемых экзопланет может быть гораздо более разнообразной. В будущем исследования должны быть направлены на изучение более широкого спектра условий, включая гравитацию, давление, более значительные температурные колебания и другие факторы окружающей среды.
Наконец, необходимо подчеркнуть, что реальность существования гикеанских миров до сих пор остается под вопросом. Существуют опасения относительно стабильности водородных атмосфер, воздействия радиации, химических процессов в атмосфере, которые могут препятствовать биохимическим реакциям, а также неясности в отношении путей формирования и механизмов поддержания таких атмосфер. Тем не менее, исследование предоставляет ценную информацию о потенциальной связи между температурой и сложностью биосферы. Теплые планеты могут демонстрировать более сложные биосферы в более молодом возрасте, в то время как на более холодных планетах биосферы могут быть проще и развиваться медленнее. В условиях невозможности путешествий к этим далеким мирам, обнаружение биосигнатур остается ключевым методом изучения жизни за пределами Земли. Различные уровни сложности биосфер, в свою очередь, влияют на обнаружимость жизни, и более теплые планеты могут представлять собой наиболее перспективные цели для обнаружения более сильных и легко детектируемых атмосферных биосигнатур.
Изображение носит иллюстративный характер
Первые намеки на существование подобных миров появились благодаря миссии «Кеплер», обнаружившей множество планет-кандидатов, которые могли бы быть гикеанскими. Хотя «Кеплер» и не смог с уверенностью подтвердить ни один из них, он заложил основу для дальнейших исследований. Значительный шаг вперед был сделан с запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Наблюдения JWST предоставили весомые аргументы в пользу гипотезы о гикеанских мирах, обнаружив углекислый газ (CO2) и метан (CH4) в атмосфере планеты-кандидата K2-18b. Обнаружение CO2 и CH4 особенно важно, поскольку в условиях, сходных с земными океанами, они могут являться биосигнатурами, указывающими на присутствие микробной жизни. Таким образом, K2-18b стала одной из самых обсуждаемых кандидатов в гикеанские миры.
Новое исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, и проведенное Эмили Дж. Митчелл из Кембриджского университета и Никку Мадхусудханом из того же университета, углубляется в вопрос о потенциале гикеанских миров для эволюции жизни. Работа под названием "Prospects for Biological Evolution on Hycean Worlds" исследует, как термодинамические условия этих миров могут влиять на развитие жизни. В центре исследования лежит метаболическая теория экологии (MTE), используемая для анализа того, как простейшие формы жизни могут эволюционировать при различных температурных режимах.
Метаболическая теория экологии (MTE) базируется на фундаментальном принципе: метаболический уровень организма является определяющим фактором его выживания и процветания. MTE применима к широкому спектру биологических процессов – от индивидуальных до популяционных и даже на уровне целых сообществ. Ключевым фактором, влияющим на метаболизм, является температура. Предыдущие исследования показали, что повышение температуры в обитаемых средах, как правило, стимулирует биологическую активность, по крайней мере, до определенного предела.
В рамках нового исследования Митчелл и Мадхусудхан сфокусировались на нескольких ключевых вопросах, связанных с гикеанскими мирами: как температура поверхности океана влияет на эволюцию земных одноклеточных организмов на этих планетах, сколько времени может потребоваться для возникновения жизни, подобной земной, и как различные температуры влияют на возможность обнаружения биосигнатур. Особое внимание было уделено биосигнатуре диметилсульфида (DMS). На Земле DMS тесно связан с фитопланктоном и обладает уникальным спектральным сигналом, который потенциально может быть обнаружен JWST в атмосферах экзопланет. Фитопланктон, в свою очередь, является основным источником ключевых биомаркеров, таких как DMS, в земной атмосфере.
Среди ключевых групп фитопланктона, рассмотренных в исследовании, были цианобактерии (сине-зеленые водоросли), метанококки (метаногены) и диатомовые водоросли (ответственные за выработку около 50% кислорода на Земле ежегодно). Особое внимание было уделено Aquificota – филуму бактерий, в частности роду Aquifix, как аналогу ранней жизни на Земле. Бактерии Aquifix, обитающие как в пресной, так и в морской воде, способны производить воду, окисляя водород. Именно Aquifix был выбран в качестве модельного организма для расчета скорости эволюции на протяжении 4,3 миллиарда лет.
Ключевые выводы исследования Митчелл и Мадхусудхана указывают на высокую чувствительность скорости эволюции и времени возникновения жизни к температуре океана. Незначительные изменения температуры поверхности океана оказывают значительное влияние на эти параметры. В частности, при повышении температуры океана на 10 Кельвинов (K) относительно земной, скорость эволюции возрастает более чем в два раза. Это ускорение приводит к тому, что ключевые одноклеточные группы, такие как археи и бактерии, могут появиться уже через 1,3 миллиарда лет после возникновения жизни (ВЖ). Все основные группы организмов могут возникнуть к 1,19 миллиарда лет после ВЖ, а ключевые группы фитопланктона – к 1,28 миллиарда лет после ВЖ.
Иная картина наблюдается при понижении температуры океана. Уменьшение температуры на 10K относительно земной приводит к замедлению эволюции – скорость эволюции снижается вдвое. В этом случае появление ключевых форм жизни задерживается на несколько миллиардов лет. К 4 миллиардам лет после ВЖ на таких планетах могут эволюционировать только бактерии и археи, но кислородный фотосинтез и эукариоты, вероятно, еще не появятся. Это, в свою очередь, влияет на проявление, интенсивность и обнаружимость биосигнатур.
Центральным выводом исследования стало понимание того, что лишь узкий диапазон условий окружающей среды допускает широкий спектр скоростей эволюции и времени возникновения жизни. Разнообразие атмосферных условий на гикеанских мирах может привести к значительному разнообразию микробной жизни. Более теплые гикеанские миры потенциально могут способствовать возникновению новых клад организмов значительно быстрее, чем это происходило на Земле.
Полученные результаты имеют важные последствия для поиска жизни за пределами Земли. Если гикеанские миры действительно существуют, они, как выразился Карл Саган, могут буквально «кишеть жизнью». Жизнь на них может возникать в гораздо более короткие сроки по сравнению с земными. Кандидаты в гикеанские миры, включая K2-18b, возраст которой оценивается в 2,4 миллиарда лет, могут обладать более теплыми океанами и условиями, благоприятными для возникновения и поддержания ключевых одноклеточных групп. Это делает их приоритетными целями в поисках биосигнатур. Более того, более теплые планеты потенциально могут демонстрировать более сильные атмосферные биосигнатуры из-за более сложных и быстро эволюционирующих биосфер.
Важно отметить, что проведенное исследование имеет определенные ограничения. Оно рассматривало относительно узкий диапазон температур и физических условий, ориентируясь на земные аналоги. Реальность обитаемых экзопланет может быть гораздо более разнообразной. В будущем исследования должны быть направлены на изучение более широкого спектра условий, включая гравитацию, давление, более значительные температурные колебания и другие факторы окружающей среды.
Наконец, необходимо подчеркнуть, что реальность существования гикеанских миров до сих пор остается под вопросом. Существуют опасения относительно стабильности водородных атмосфер, воздействия радиации, химических процессов в атмосфере, которые могут препятствовать биохимическим реакциям, а также неясности в отношении путей формирования и механизмов поддержания таких атмосфер. Тем не менее, исследование предоставляет ценную информацию о потенциальной связи между температурой и сложностью биосферы. Теплые планеты могут демонстрировать более сложные биосферы в более молодом возрасте, в то время как на более холодных планетах биосферы могут быть проще и развиваться медленнее. В условиях невозможности путешествий к этим далеким мирам, обнаружение биосигнатур остается ключевым методом изучения жизни за пределами Земли. Различные уровни сложности биосфер, в свою очередь, влияют на обнаружимость жизни, и более теплые планеты могут представлять собой наиболее перспективные цели для обнаружения более сильных и легко детектируемых атмосферных биосигнатур.
