Planeta zamieszkiwalna, czyli jaka? I co ma z tym wspólnego efekt cieplarnianyCzas czytania: 13 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

W książce Wyjątkowa Planeta. Dlaczego nasze położenie w Kosmosie umożliwia odkrycia naukowe Guillermo Gonzalez oraz Jay W. Richards przedstawiają szereg argumentów przemawiających za korelacją zamieszkiwalności z mierzalnością, tzn. poglądem, według którego pojawienie się inteligentnych istot wymaga jednoczesnego zaistnienia wielu dogodnych warunków. Gonzalez i Richards przekonują bowiem, że te same warunki, które umożliwiają zamieszkiwalność, czyli sprzyjają pojawieniu się życia (a w konsekwencji inteligentnego życia), zapewniają zarazem możliwość naukowego badania Wszechświata (mierzalność)¹. Autorzy prezentują szereg argumentów przemawiających za wyjątkowymi właściwościami Ziemi jako planety sprzyjającej życiu oraz odkryciom naukowym².

Warunki na Ziemi

Eksploracja Kosmosu pozwala nam na poszukiwanie kolejnych gwiazd oraz układów planetarnych. Często na podstawie składu chemicznego danej planety lub jej odległości od najbliższej gwiazdy postuluje się, że planeta spełnia warunki zamieszkiwalności³. Choć określenie, czy planeta może być zamieszkiwalna, wydaje się relatywnie proste, to jednak wyjaśnienie, jakie procesy sprawiają, że umożliwia ona pojawienie się i przetrwanie życia, jest niezwykle trudne. Parametry sprzyjające życiu na danej planecie są bowiem ściśle zależne od uwarunkowań fizykochemicznych oraz geologicznych.

Choć wiemy, że Ziemia jest nie tylko zamieszkiwalna, ale i jest jedyną dotychczas znaną planetą zamieszkałą, to współczesna nauka nie posiada kompleksowej odpowiedzi na to, jak doszło do tego, że ziemskie warunki umożliwiły pojawienie się i przetrwanie życia. Ziemia posiada zarówno wodę w stanie ciekłym, jak i optymalną temperaturę (dzięki łagodnemu efektowi cieplarnianemu) – czyli spełnia warunki konieczne do życia. Warunki te nie są jednak wystarczające, ponieważ kluczowa jest dynamiczna równowaga pomiędzy poszczególnymi parametrami geologicznymi, która umożliwia pojawienie, przetrwanie i reprodukcję struktur biologicznych (a w dalszej kolejności również ich rozwój). Przypomina to hipotezę Ziemi jako samoregulującego się organizmu⁴.

Uważa się, że dawne środowisko powierzchniowe Ziemi było podobne do tego, które istniało w połowie hadeiku (pierwszego eonu istnienia Ziemi, kiedy to z oceanu magmy⁵ uformowała się skorupa ziemska)⁶, co wskazuje na utrzymywanie się na Ziemi przez miliardy lat stanu dynamicznej równowagi przyrodniczej, co – idąc dalej – pozwoliło na powstanie i rozwój życia na naszej planecie.

W marcu 2022 roku na łamach „Nature” opublikowano artykuł zatytułowany A Wet Heterogeneous Mantle Creates a Habitable World in the Hadean [Wilgotna, heterogeniczna osłona z czasów hadeiku odpowiada za powstanie zamieszkiwalnego świata], którego autorami są Yoshinori Miyazaki oraz Jun Korenaga⁷. W artykule tym autorzy rozważają dynamiczne zmiany w geofizyce Ziemi, które odbywały się na przestrzeni miliardów lat, i najprawdopodobniej umożliwiły zaistnienie na naszej planecie takich warunków, jakie na niej panują. Badacze są zgodni, że takiej charakterystyki planety, jak obecność oceanów czy łagodnego efektu cieplarnianego, nie da się przewidzieć wyłącznie na podstawie masy planety oraz jej odległości od najbliższej gwiazdy.

Geologiczne podstawy życia

W przytoczonym artykule autorzy próbują zaproponować nieco inny niż dotychczas scenariusz, jak doszło do tego, że nasza planeta stała się zamieszkiwalna. Posługują się przy tym głównie argumentami związanymi z uwarunkowaniami geologicznymi. Choć w nauce jest wiele opinii na temat tego, skąd się wzięło życie na Ziemi – m.in. abiogeneza (samoistne powstawanie życia z materii nieorganicznej⁸) czy panspermia (samorzutne rozprzestrzenianie się życia we Wszechświecie⁹) – to jednak dotyczą one przede wszystkim samej biologii. Artykuł z „Nature” pozwala szczegółowo przyjrzeć się geologicznym podstawom tego, że na Ziemi w ogóle może istnieć życie. Według autorów jednymi z kluczowych dla życia zjawisk na wczesnej i obecnej Ziemi jest obecność ciekłej wody oraz optymalnego efektu cieplarnianego¹⁰. Aby jednak lepiej to zrozumieć, należy nieco przybliżyć wczesną historię Ziemi.

Młoda Ziemia charakteryzowała się bardzo wysokimi temperaturami, a jej powierzchnia była pokryta grubą warstwą magmy, która ulegała konwekcji¹¹. Po pewnym czasie w niektórych obszarach magma zaczynała zastygać od dolnych warstw, tworząc płyty tektoniczne skorupy ziemskiej. Nawet kiedy zdecydowana jej większość zastygała, to nadal pozostawało mnóstwo niewykorzystanej energii (głównie w postaci ciepła), ale konwekcja jako taka nie była już możliwa, ponieważ jest to proces, który nie zachodzi w ciałach stałych. Proces konwekcji przyczynił się do ruch płyt tektonicznych, a to zjawisko umożliwiło wiele innych procesów, które spowodowały powstanie warunków przyjaznych dla życia, czyli wody w stanie ciekłym oraz subtelnego efektu cieplarnianego¹⁰.

Skąd się wzięła woda na Ziemi?

Woda jest związkiem chemicznym dość powszechnym we Wszechświecie (choć w nauce są różne opinie na ten temat). Występuje we wszystkich stanach skupienia (np. w postaci lodu na księżycach lodowych, czy oceanów na Ziemi) i w różnorakich formach, m.in. w formie wolnej oraz w formie hydratów (związków chemicznych lub układów cząsteczek, które w swojej sieci krystalicznej zawierają „uwięzione” cząsteczki wody). Również skały, z których zbudowana jest Ziemia, nie są całkowicie pozbawione wody, ale zawierają jej cząsteczki – są więc w pewnym stopniu wilgotne¹². Miyazaki i Korenaga szacują, że skały wczesnej Ziemi zawierały przynajmniej około 0,1% wody, a już ta ilość była wystarczająca, aby utworzyć ogromne zbiorniki wodne¹⁰.

Woda na Ziemi początkowo znajdowała się w skałach zhydratowanych (uwodnionych). Kluczowym pytaniem jest, w jaki sposób została ona uwolniona ze zhydratowanych skał. Według autorów pracy, woda była „wyciskana” ze skał stopniowo wraz z obniżaniem się temperatury na Ziemi. Zastyganie i wyłanianie się skał z gorącej magmy powodowało, że na Ziemi obniżała się temperatura, co stopniowo pozwalało na pojawienie się ciekłej wody uwolnionej ze skał, a to w dalszej kolejności umożliwiło pojawienie się oceanów. Badacze zauważają przy tym, że bardzo ważne w tym aspekcie są precyzyjne parametry (np. rozpuszczalność wody w magmie krzemianowej), w których nawet subtelna różnica spowodowałaby zupełnie inną historię geologiczną Ziemi¹⁰.

Choć w trakcie zastygania magmy i tworzenia się skał obniżała się temperatura na Ziemi¹³, to jednak nasza planeta nie uległa całkowitemu wychłodzeniu, dzięki łagodnemu efektowi cieplarnianemu.

Jak powstał efekt cieplarniany na wczesnej Ziemi?

Energia pochodząca ze Słońca, która dociera do Ziemi, jest z niej także oddawana, ale nie w całości. Dzieje się tak dzięki efektowi cieplarnianemu, nazywanemu także efektem szklarniowym, który odpowiada za zachowywanie na Ziemi części ciepła pochodzącego ze Słońca¹⁴. Jest to możliwe dzięki gazom cieplarnianym, z których najważniejszymi są para wodna oraz dwutlenek węgla (CO₂). Aktualnie efekt cieplarniany jest znacznie intensywniejszy ze względu na zwiększającą się w atmosferze ilość CO₂ (co jest przypisywane działalności człowieka), a to prowadzi do globalnego ocieplenia.

Na wczesnej Ziemi jednak efekt cieplarniany był łagodny i konieczny, aby woda mogła występować w stanie ciekłym. Kluczowa więc była obecność dwutlenku węgla w atmosferze. Gaz ten najprawdopodobniej również wziął się ze skał (w szczególności węglanu wapnia). Aby jednak efekt cieplarniany był bezpieczny dla przyszłego życia, dwutlenek węgla musiał występować w określonym stężeniu. Zbyt duża jego ilość w atmosferze spowodowałaby, że woda na Ziemi by wrzała, zaś zbyt mała jego ilość byłaby powodem jej krzepnięcia, a Ziemia stałaby się wówczas planetą lodową.

Uwalnianie CO₂ z magmy również musiało więc przebiegać stopniowo i we właściwym tempie. Co ciekawe, istotne znaczenie w tym procesie ma tektonika płyt, która zachodzi nieustannie, ponieważ w głębokich warstwach Ziemi nadal znajduje się płynna magma ulegająca konwekcji¹⁵. Według autorów artykułu skały węglanowe, które znajdują się w skorupie ziemskiej, przesuwały się wraz z ruchem płyt tektonicznych i w ten sposób mogły trafić do pokładów magmy, w której zostały stopione, a dwutlenek węgla mógł zostać uwolniony poprzez erupcje wulkaniczne. Z kolei gorące skały wylewne pochłaniały dwutlenek węgla z atmosfery, który z czasem trafiał do skorupy Ziemi¹⁰. Procesy te przebiegały w bardzo długich odstępach czasu, co świadczy o dynamicznej równowadze, którą nasza planeta była zdolna utrzymać.

Co z życiem na naszej planecie?

Autorzy artykułu odnoszą się także do tego, jak na wczesnej Ziemi mogło zaistnieć życie. W oparciu o ich obliczenia przeprowadzono symulację przedstawiającą proces powstawania kominów hydrotermalnych, które występują pod powierzchnią północnej części Oceanu Atlantyckiego. Woda tam krążąca podgrzewa się do 90^oC, dzięki energii cieplnej magmy (z którą się jednak nie styka). W Zaginionym Mieście (bo tak mówi się o polach hydrotermalnych) woda ma odczyn zasadowy z powodu bliskiego sąsiedztwa węglanu wapnia. W nauce istnieje hipoteza, że właśnie w takich warunkach mogło powstać życie¹⁶.

Miyazaki i Korenaga zaznaczają tę zbieżność warunków środowiskowych już w abstrakcie swojej pracy, sugerując, że modelowanie historii Ziemi w oparciu o ich obliczenia może stanowić ważny krok w kierunku odpowiedzi na pytanie, jak na Ziemi powstało życie¹⁰.

Podsumowanie

Zamieszkiwalność planety jest czymś znacznie bardziej złożonym niż się wydaje. Zamieszkiwalność nie zależy bowiem tylko od masy planety, czy jej odległości od najbliższej gwiazdy, ale od ogromnej liczby parametrów oraz szeregu zmiennych, zarówno z zakresu biologii, fizyki, chemii, kosmologii, jak i geologii. Subtelne parametry, takie jak rozpuszczalność wody w magmie, stała wiązania CO₂ w skałach, czy tempo wydobywania wody ze skał lub dwutlenku węgla z magmy, sprawiają, że choćby niewielka zmiana jednego z parametrów może spowodować, że planeta nie będzie tak przyjazna dla życia, jak Ziemia, ale sucha jak Mars lub przegrzana jak Wenus.

Choć omawiany artykuł nie odpowiada na pytanie, jak powstało życie na Ziemi, to jednak skłania do ponownego zastanowienia się nad wyjątkowością naszej planety, bowiem sprzyja ona życiu w każdym, nawet najdrobniejszym parametrze.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 06.03.2022

Literatura: