Обнаружены планеты с условиями для жизни лучше, чем на Земле — Российская газета
В космосе есть планеты, которые подходят для жизни высших форм гораздо больше, чем Земля. Об этом в журнале Astrobiology сообщили американские и немецкие ученые. Заявление, прямо скажем, смелое. Ведь до сих пор считалось, что именно на нашей планете созданы почти идеальные условия для появления жизни. И вот оказалось, что в космосе куда более благодатные места. Как их нашли в бескрайнем космосе? И чем они лучше нашей Земли?
Поиск вели мощные телескопы, которые собрали данные о температуре, влажности и других факторах среды около 4,5 тысячи известных экзопланет, а затем из них выделили 24. Там условия для появления жизни высших форм более благоприятные, чем на Земле. Они немного старше, больше, теплее и, возможно, более влажные. Оптимальный период для появления жизни, по мнению авторов, — от пяти до восьми миллиардов лет.
После чего иссякнет внутреннее геотермальное тепло планет и исчезнет их защитное магнитное поле.
Тогда у жизни не остается не единого шанса. И тут размер и масса имеют важное значение. Больше подходят для жизни планеты, которые на 10-50 процентов больше Земли. Они дольше сохранят внутренний нагрев за счет радиоактивного распада, а также дольше будут удерживать атмосферу за счет более сильной гравитации. Еще один фактор — повышенная влажность и немного более высокая, чем на Земле, средняя температура. Скажем, зоны тропических лесов обладают значительно большим биологическим разнообразием, чем более холодные или засушливые районы.
Отметим, что все 24 привлекательные планеты находятся от нас на расстоянии в 100 световых лет, так что пока космосопроходцам рано готовиться к переселению. К тому же ученые отмечают, что благоприятные условия для возникновения высших форм жизни вовсе не означают, что она там действительно есть. Ведь мы пока не знаем, как она появилась на Земле, какие факторы должны для этого феномена сойтись в конкретной точке Вселенной.
Дэйв Брейн: Что необходимо для жизни на планете?
Я очень рад быть здесь.
И рад, что вы здесь, потому что иначе было бы странновато. Я рад, что все мы здесь. И под словом «здесь» я не подразумеваю здесь. Или здесь. А здесь, на Земле. И под «мы» я подразумеваю не только присутствующих в этом зале, а жизнь, жизнь на Земле — от сложнейших форм до одноклеточных, от плесени и грибов до летающих медведей.
Любопытно, что Земля — единственное место, где есть жизнь, 8,7 млн видов. Мы изучали другие планеты, может, не так усердно, как следовало бы, но мы искали и ничего не нашли. Земля — единственное известное нам место, где есть жизнь. Но уникальна ли Земля? Ответ на этот вопрос я хотел узнать с детства, думаю, 80% аудитории думали так же и тоже хотели узнать ответ. Чтобы понять, есть ли другие планеты в нашей Солнечной системе или вне ее, на которых возможна жизнь, во-первых, нужно понять, что нужно для жизни.
Оказалось, что для жизни всех 8,7 млн видов нужны три вещи. С одной стороны, для жизни на Земле нужна энергия. Сложные организмы, как мы, получают энергию от Солнца, а организмы глубоко под землей получают ее, например, от химических реакций.
Различные источники энергии можно найти на всех планетах. С другой стороны, для жизни нужна еда или питательные вещества. С этим уже сложнее, особенно если вы любите сочные помидоры.
Тем не менее все живое на Земле получает питательные вещества всего из шести химических элементов, и эти элементы можно найти на любой планете нашей Солнечной системы. Таким образом, остается лишь одна вещь, которую сложнее всего получить. Не лось, а вода.
Хотя лось, конечно, очень круто.
Притом вода не в твердом или газообразном состоянии, а жидкая. Всякая жизнь нуждается в этом. На многих телах Солнечной системы нет воды в жидком виде, поэтому мы там не ищем. На других телах может быть жидкая вода, даже больше, чем на Земле, но она спрятана под ледяной оболочкой, до нее сложно добраться, трудно даже узнать, есть ли там жизнь.
В итоге у нас остается несколько вариантов для поиска. Так давайте облегчим себе задачу. Давайте рассматривать только воду на поверхности планеты. В нашей Солнечной системе существует только три тела, на поверхности которых есть вода.
В порядке удаленности от Солнца это Венера, Земля и Марс. Чтобы вода была жидкой, нужна атмосфера. Атмосфера — очень тонкий вопрос. Атмосфера не должна быть слишком горячей или плотной, иначе планета будет слишком горячей, как Венера, и на ней не будет жидкой воды. Но если атмосфера слишком разреженная или слишком холодная, получится Марс. То есть, Венера слишком горячая, Марс — холодный, а Земля — в самый раз. Взгляните на картинки за моей спиной и сразу поймете, где в нашей Солнечной системе могут выжить организмы. Это как в сказке о трех медведях, проблема такая простая, что понятна даже ребенку.
Однако я бы хотел напомнить вам о двух вещах из сказки о трех медведях, о которых мы редко задумываемся, но которые были бы здесь уместны. Первая: если чашка мамы медведицы была слишком холодной, когда девочка зашла в дом, значит ли это, что чашка всегда была холодной? Могла ли она когда-то быть теплой? То, когда девочка попадает в дом, определяет то, что мы находим в сказке. То же самое с планетами.
Они не статичны. Они меняются. Они варьируются. Они эволюционируют. То же происходит с атмосферой. Позвольте привести пример.
Это одна из моих любимых фотографий Марса. Это не самое качественное и привлекательное изображение, это не самое новое изображение, но здесь видны русла рек, врезанные в поверхность планеты. Эти русла образовало течение жидкой воды; на их формирование ушли сотни, тысячи или десятки тысяч лет. Сейчас на Марсе они не появятся. Атмосфера Марса сегодня слишком тонкая и холодная, чтобы могла образоваться жидкая вода. Одна эта фотография показывает, что атмосфера Марса изменилась и изменилась значительно. А раньше это было место, пригодное для жизни, так как когда-то давно там были все три необходимых условия для жизни. Куда делась атмосфера, позволявшая воде оставаться в жидком состоянии?
Есть мысль, что она ушла в космос. Частицы атмосферы получили энергию и освободились от гравитации планеты, вырвались в космос и не вернулись. Так случается со всеми телами в атмосфере.
У комет бывают хвосты, служащие ярким напоминанием об утечке атмосферы. Но у Венеры тоже есть атмосфера, которая постепенно исчезает, как у Марса и Земли. Вопрос лишь в степени и масштабе. Нам бы хотелось узнать, как много атмосферы исчезло, чтобы мы смогли объяснить эти изменения.
Как атмосфера получает энергию для выхода? Как частицы получают достаточно энергии? Если короче, есть два пути. Первый — солнце. Солнечный свет поглощается атмосферными частицами и нагревает их. Да, я танцую, но…
Боже, я даже на своей свадьбе не…
Они получают достаточно энергии, чтобы вырваться и освободиться от гравитации планеты только благодаря теплу. Второй способ получить энергию — солнечный ветер. Эти частицы, масса, материал, покинув поверхность солнца, мчатся через Солнечную систему со скоростью 400 км в секунду, во время солнечных бурь иногда быстрее. Они движутся через межпланетное пространство к планетам и их атмосферам и могут дать энергию частичкам атмосферы, чтобы те тоже сбежали.
Мне это интересно в отношении пригодности для жизни. Я сказал, что есть две вещи, связанные со сказкой о трех медведях, на которые я хочу обратить ваше внимание. Вторая из них менее явная. Если чашка папы медведя слишком горячая, а мамы медведицы — слишком холодная, не должна ли чашка медвежонка быть еще холоднее, если следовать логике? Вещь, в которую вы верили всю жизнь, при близком рассмотрении может оказаться не такой простой. Конечно, расстояние от Солнца определяет температуру планеты. Это влияет на пригодность для жизни. Но, может, нужно учесть и другие факторы? Может, сами чашки определяют исход истории, что есть «в самый раз».
Я мог бы рассказать вам о множестве характеристик этих трех планет, влияющих на возможность жизни, но из эгоизма, связанного с моим исследованием, а также оттого, что не вы, а я стою здесь и держу в руках переключатель… я бы хотел посвятить минуту или две магнитным полям. У Земли оно есть, а у Венеры и Марса — нет. Магнитные поля создаются в недрах планеты потоками электропроводящего жидкого вещества, что и создает это сильное древнее магнитное поле вокруг Земли.
Если у вас есть компас, он покажет, где север. На Венере и Марсе этого нет. Если вы на Венере или Марсе с компасом, поздравляю, вы потерялись.
Влияет ли это на пригодность для жизни? Как это могло бы влиять? Многие ученые считают, что магнитное поле планеты служит щитом для атмосферы, отгоняет от планеты частицы солнечного ветра, создавая как бы эффект силового поля по отношению к этим электрически заряженным частицам. Мне же это видится перегородкой, защищающей салаты от чихающих посетителей.
И да, мои коллеги, которые увидят это позже, поймут, что впервые в истории научного сообщества солнечный ветер сравнили с соплями.
Таким образом Земля могла быть защищена в течение миллиардов лет благодаря магнитному полю. Атмосфера не могла исчезнуть. Марс, с другой стороны, не был защищен из-за отсутствия магнитного поля, возможно, за миллиарды лет достаточно атмосферы покинуло планету, обусловив переход от пригодной для обитания планеты до той, которую мы видим сегодня.
Другие ученые предполагают, что магнитные поля больше схожи с парусами корабля и позволяют планете взаимодействовать с бóльшим количеством солнечной энергии, чем она смогла бы уловить самостоятельно.
Паруса могут собирать энергию солнечного ветра. Магнитное поле может собирать энергию солнечного ветра, что позволяет сбежать большему числу частиц атмосферы. Эту идею еще нужно проверить, но эффект и механизм работы кажутся очевидными. Потому что мы знаем, что энергия солнечного ветра накапливается в нашей атмосфере здесь, на Земле. Эта энергия проводится по магнитным силовым линиям к полярным областям, и в результате возникает северное сияние. Если вы когда-то видели его… Это великолепно. Мы знаем, что получаем энергию. Мы пытаемся измерить, какое количество частиц теряется и влияет ли магнитное поле на этот процесс.
Итак, я обозначил проблему, но у меня еще нет решения. У нас нет решения. Но мы над ним работаем. Как мы над ним работаем? Мы отправили космические аппараты на три планеты. Некоторые еще на орбитах, включая MAVEN, который сейчас находится на орбите Марса. Я участвую в этом проекте, который ведется отсюда, прямо из Колорадского университета. Его цель — измерить выход частиц атмосферы.
Такие же измерения проведены на Венере и на Земле. Когда мы получим все измерения, мы можем их все объединить и понять, как все эти планеты взаимодействуют с космическим пространством и с их окружением. И мы сможем понять, влияют магнитные поля на пригодность для жизни или нет.
Почему вас должен заботить ответ? Меня лично это волнует… в том числе с финансовой точки зрения.
Во-первых, ответ на этот вопрос расскажет нам больше об этих трех планетах: Венере, Земле и Марсе; не только, как они взаимодействуют со средой сегодня, но и как это было миллиарды лет назад, были ли они обитаемыми когда-то или нет? Мы узнаем больше об атмосферах, которые окружают нас и близки к нам. То, что мы узнаем об этих планетах, применимо к любым атмосферам, включая планеты, которые мы находим вокруг других звезд. Например, спутник «Кеплер» был построен здесь в Боулдере и управляется отсюда, он изучает область, которая с Земли кажется размером с почтовую марку, уже два года и нашел тысячи планет на этом крошечном участке космоса, который не отличается, как мы думаем, от других областей космоса.
За 20 лет от незнания ни одной планеты за пределами Солнечной системы мы пришли к знанию стольких, что мы даже не можем решить, которую из них изучать первой. Любая информация важна. На основании данных спутника «Кеплер» и других аналогичных данных мы пришли к выводу, что из 200 миллиардов звезд в одной только галактике Млечный Путь в среднем у каждой звезды есть по меньшей мере одна планета. Более того, по оценкам существует от 40 до 100 млрд планет с пригодными для жизни условиями в одной только нашей галактике.
Мы наблюдаем за этими планетами, но пока не знаем, которые из них пригодны для жизни. Это словно оказаться в ловушке, в красном круге… на сцене и знать, что где-то есть другие миры, и отчаянно хотеть узнать о них больше, жаждать опросить их и обнаружить, что, возможно, один или два из них немного похожи на нас. Но это невозможно сделать. Туда пока нельзя добраться. Поэтому приходится использовать инструменты, созданные для изучения Венеры, Земли и Марса, применять их для других случаев и надеяться, что ваши выводы из этих данных разумны и что вы сумеете определить наиболее вероятных претендентов на пригодные и непригодные для обитания планеты.
В конце концов, по крайней мере пока, наш красный круг именно здесь. Это единственная известная нам планета, пригодная для жизни. Хотя, возможно, очень скоро мы узнаем новые планеты, но сейчас это единственная обитаемая планета, и это наш красный круг. Я очень рад, что мы здесь.
Перевод: Наталия Ост
Редактор: Юлия Каллистратова
Источник
Ученые смогли объяснить, как зарождалась жизнь на Земле
Исследователи сумели лучше понять, как именно на нашей планете зародилась жизнь 4 млрд лет назад. Оказалось, что из смеси химических веществ, заполнявших водоемы молодой Земли, случайным образом формировались аминокислоты, из них — белковые соединения, а затем — более сложные нуклеиновые кислоты.
Жизнь появилась на нашей планете спустя примерно полмиллиарда лет после возникновения Земли, то есть около 4 млрд лет назад: именно тогда зародился первый общий предок всех живых существ.
Ученые понимали, что первый общий предок всех живых существ зародился из так называемого первичного бульона — аминокислот, возникших из соединений воды с химическими элементами, которыми были наполнены водоемы молодой Земли.
Возможность формирования аминокислот из смеси химических элементов была доказана в результате эксперимента Миллера — Юри, о котором «Газета.Ru» рассказывала несколько лет назад. В ходе опыта Стэнли Миллер смоделировал в пробирках атмосферные условия Земли около 4 млрд лет назад, заполнив их смесью газов — метана, аммиака, углерода и монооксида углерода, — добавив туда воды и пропуская через пробирки электрический ток, который должен был производить эффект разрядов молний.
В результате взаимодействия химических веществ Миллер получил в пробирках пять аминокислот — основных строительных блоков всех белков.
Спустя полвека, в 2008 году, исследователи провели повторный анализ содержимого пробирок, которые Миллер сохранил в неприкосновенности, и выяснили, что на самом деле смесь продуктов содержала вовсе не 5 аминокислот, а 22, просто автор эксперимента не смог идентифицировать их несколько десятилетий назад.
После этого перед учеными встал вопрос о том, какие из трех основных молекул, содержащихся во всех живых организмах (ДНК, РНК или белки), стали следующей ступенью формирования жизни. Сложность этого вопроса заключается в том, что процесс образования каждой из трех молекул зависит от двух других и не может быть осуществлен в ее отсутствие.
Таким образом, ученые должны были либо признать возможность формирования сразу двух классов молекул в результате случайной удачной комбинации аминокислот, либо согласиться с тем, что структура их сложных взаимосвязей образовалась спонтанно, уже после возникновения всех трех классов.
01 сентября 13:10
Проблема была разрешена в 1980-х годах, когда Томас Чек и Сидней Олтмен открыли способность РНК существовать полностью автономно, выступая ускорителем химических реакций и синтезируя новые, аналогичные себе РНК. Это открытие привело к появлению «гипотезы мира РНК», впервые высказанной микробиологом Карлом Везе в 1968 году и окончательно сформулированной биохимиком, лауреатом Нобелевской премии по химии Уолтером Гилбертом в 1986 году. Суть этой теории заключается в том, что основой жизни признаются молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые в процессе самовоспроизведения могли накапливать мутации.
Одновременно с этим сформировались и «хранилища» генетической информации — ДНК. Рибонуклеиновые кислоты сохранились как посредник между ДНК и белками, выполняя множество различных функций:
они хранят информацию о последовательности аминокислот в белках, переносят аминокислоты в места синтеза пептидных связей, принимают участие в регулировании степени активности тех или иных генов.
На данный момент у ученых нет однозначных доказательств того, что подобный синтез РНК в результате случайных соединений аминокислот возможен, хотя определенные подтверждения этой теории есть: так, в 1975 году ученые Манфред Сампер и Рудигер Льюс продемонстрировали, что при определенных условиях РНК может спонтанно возникнуть в смеси, содержащей только нуклеотиды и репликазу, а в 2009 году исследователи из Университета Манчестера доказали, что уридин и цитидин — составляющие части рибонуклеиновой кислоты — могли синтезироваться в условиях ранней Земли.
Тем не менее некоторые исследователи продолжают критиковать «гипотезу мира РНК» из-за чрезвычайно низкой вероятности спонтанного возникновения рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитическими свойствами.
Ученые Ричард Вульфенден и Чарльз Картер из Университета Северной Каролины предложили свою версию формирования жизни из первичного «строительного материала». Они полагают, что аминокислоты, сформировавшиеся из набора существовавших на Земле химических элементов, стали базой для образования не рибонуклеиновых кислот, а других, более простых веществ — белковых ферментов, которые сделали возможным появление РНК.
Ричард Вульфенден проанализировал физические свойства 20 аминокислот и пришел к выводу, что аминокислоты могли самостоятельно обеспечивать процесс формирования структуры полноценного белка. Эти белки, в свою очередь, являлись ферментами — молекулами, ускоряющими химические реакции в организме. Чарльз Картер продолжил работу своего коллеги, показав на примере фермента под названием аминоацил-тРНК-синтетаза то огромное значение, которое ферменты могли играть для дальнейшего развития основ жизни: эти
белковые молекулы способны распознавать транспортные рибонуклеиновые кислоты, обеспечивать их соответствие участкам генетического кода и тем самым организовывать верную передачу генетической информации последующим поколениям.
По мнению авторов исследования, им удалось найти то самое «недостающее звено», которое было промежуточным этапом между образованием аминокислот из первичных химических элементов и складыванием из них сложных рибонуклеиновых кислот.
Выводы ученых дают ответ и еще на один вопрос, в течение долгого времени волновавший исследователей, а именно: когда произошло «разделение труда» между белками и нуклеиновыми кислотами, к которым относятся ДНК и РНК. Если теория Вульфендена и Картера верна, то можно смело утверждать: белки и нуклеиновые кислоты «поделили» между собой основные функции на заре возникновения жизни, а именно около 4 млрд лет назад.
Основные факторы существования жизни на Земле Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»
А
ОХРАНА ТРУДА.
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 574.
2
С. Д. Галюжин, канд. техн. наук, доц., Д. С. Галюжин, канд. техн. наук, доц.,
О. М. Лобикова
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Проведен анализ основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на процессы функционирования живых организмов биосферы нашей планеты. Показано, что такими основополагающими факторами являются наличие солнечной энергии, воды и углерода.
Многим доводилось видеть результаты лесных пожаров: обуглившиеся остовы деревьев, выгоревшая трава, черная обгоревшая земля — ни малейших признаков жизни. Проходит год-два, и на пожарище появляются первые робкие ростки травы, затем мелкий кустарник, деревья. На земле уже копошатся насекомые, мелкие зверьки. Это означает, что на нашей планете есть условия, позволяющие восстановить жизнь.
Итак, что же нужно для существования жизни на планете? Очевидно, что, в первую очередь источник энергии, поскольку для обеспечения всех процессов в живом организме необходим приток энергии. Земля входит в планетную систему звезды спектрального класса 02 (желтый карлик) под названием Солнце, от которого к Земле ежесекундно поступает около 2-1014 кДж энергии солнечного излучения [1, с. 114-119]. Для Земли это самый мощный источник энергии. Солнце излучает энергию в окружающее пространство в виде электромагнитных волн, образующихся в результате термоядерных реакций в недрах звезды. Но в таком виде потреблять энергию могут не все живые организмы.
Улавливание энергии Солнца происходит в тех клетках организмов, как правило, растений, которые содержат хлорофилл. Это основной источник энергии, обеспечивающий протекание
сложных процессов на нашей планете, в том числе и биохимических.
В результате солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей синтезированных веществ. Этот процесс называется фотосинтезом. Фотосинтез — это связующий мостик между живой и неживой материей. В дальнейшем эта энергия используется для жизнедеятельности как самих растений, так и других организмов, использующих растения в качестве пищи.
С этим фундаментальным вопросом ученые разобрались сравнительно недавно. Аристотель считал, что растения с помощью корневой системы добывают питание из почвы, в результате происходит их рост. Такое мнение просуществовало примерно 2 тыс. лет, пока в первой половине XVII в. голландский естествоиспытатель Ян Баптист Ван Гельмонт (1579-1644) не опроверг это суждение. Он выращивал иву в глиняном горшке и поливал ее только водой.
За 5 лет исследований масса ивы увеличилась на 74,4 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 57 г.
Исследователь предположил, что в дереве прирост вещества получается путем преобразования им воды [2, с. 50-53].
В конце XVIII в. английский ученый Джозеф Пристли (1733-1804) провел оригинальные опыты по влиянию земных растений на химический состав воздуха. Он установил, что в закрытом сосуде свеча через некоторое время гасла, но если туда помещалась веточка мяты, то свеча продолжала гореть более длительное время. Во время награждения за это открытие он сказал: «Растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу». Опыты Пристли впервые позволили объяснить, почему химический состав воздуха на земле остается практически неизменным, несмотря на дыхание живых организмов, сжигание ископаемого топлива, древесины, извержение вулканов.
Первые шаги в исследовании процессов фотосинтеза проделаны голландским медиком Яном Ингенхаузом (1730-1799). Он установил, что воздух «очищается» только на солнечном свету и только зелеными элементами растений.
С6Н12О6 + 6О2 .
Таким образом, в растениях при наличии хлорофилла из простых неорганических соединений образуются достаточно сложные органические соединения. Процесс фотосинтеза протекает следующим образом. Квант солнечной энергии выбивает из одного из атомов молекулы хлорофилла электрон, который, перемещаясь внутри хлоропласта зеленого листа, сообщает дополнительную энергию молекуле адено-зиндифосфата (АДФ) (рис. 1). В результате молекула АДФ превращается в молекулу аденозинтрифосфата (АТФ), которая способствует образованию в живой клетке, содержащей воду и углекислый газ, молекул сахара и свободного кислорода. Молекула АТФ при этом утрачивает полученную энергию и превращается в исходную молекулу АДФ
[3, с. 50-51].
Наряду с зелеными растениями, процесс фотосинтеза осуществляют также и микроорганизмы-фотосинтетики. Бактерии и архебактерии для этого используют пигменты бактерио-хлорин и бактериородопсин и не выде-
ляют кислород в окружающую среду.
Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) содержат хлорофилл, а также пигменты фикоцианин и фикоэритрин. Поэтому цианобактерии при фотосинтезе могут выделять свободный кислород.
Рис. 1. Упрощенная схема процесса фотосинтеза
Фотосинтез — это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами углекислого газа, воды и других минеральных элементов в сложные органические вещества под воздействием солнечной энергии и при участии поглощающих эту энергию пигментов.
Другие живые организмы для обеспечения процессов жизнедеятельности используют уже готовую органическую продукцию, синтезированную растениями.
Процесс разложения органических веществ происходит в клетках живого организма и называется метаболизмом (греч. ше1аЬо1 — изменение). МетаОхрана труда. Охрана окружающей среды.
6 СО2 + 6Н2О + Ет,
где Ет — тепловая энергия, выделяющаяся во время горения, Ет = Ехс.
Получающаяся при этом зола — это минеральные вещества, находившиеся в тканях органических веществ. Там, где биохимические условия не обеспечивают своевременного разложения микроорганизмами органических остатков, сжигание является необходимым процессом в экосистемах.
Разложение органических веществ — жизненно важный процесс преобразования энергии и вещества внутри клеток живых организмов. При прекращении этих процессов в конечном итоге все биогенные элементы оказались бы связанными в сложных органических соединениях мертвых остатков и продолжение жизни стало бы невозможным.
Очевидно, что первичным источником энергии, или первым по значимости условием для жизнедеятельности организмов, является Солнце. Известно, что солнечные лучи достигают и других планет Солнечной системы, но жизнь в земных формах там не обнаружена. Значит, данного условия недостаточно для существования жизни.
Вторым по значимости условием является наличие на планете воды в жидком состоянии. Антуан де Сент-Экзюпери писал: «Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое. Ты не просто необходима для жизни, ты и есть жизнь». Существенное значение для жизнедеятельности клетки имеет вода, содержание которой составляет в них от 60 до 98 %. Без воды невозможен синтез углеводов земными растениями, она является средой, в которой происходят все биохимические реакции. Внутри живых организмов перенос питательных ве-
ществ осуществляется в виде водных растворов. Вода транспортирует и выносит из организма продукты распада сложных органических соединений. Она используется для поддержания температурного режима у животных, выделяясь в виде пота, который, испаряясь, понижает температуру поверхности кожного покрова.
Академик И. А. Шилов [4] отмечает, что водный обмен между живыми организмом и средой состоит из двух противоположных процессов: первый -поступление воды в организм, второй -отдача ее в окружающую среду.
У высших растений корневая система всасывает воду из почвы, которая подводится вместе с растительными веществами к отдельным органам и клеткам. Выводится вода в процессе транспирации — физиологического испарения воды листьями и другими частями растений. При этом в водном обмене растений около 5 % воды используется для фотосинтеза, а остальное — на компенсацию испарения и поддержания внутреннего гидростатического давления в клетках, уравновешивающего внешнее давление среды: давление атмосферы, а также столба воды для водных растений.
Животные, в том числе и некоторые водные, получают воду в основном при питье. Выведение воды из организма происходит с мочой, экскрементами и путем испарения. Многие организмы, обитающие в водной среде, получают и отдают воду через покровы или специализированные участки тканей. Некоторые сухопутные обитатели (беспозвоночные животные, амфибии, многие растения) получают влагу из росы, тумана, дождя.
Важным источником воды для животных является пища. В первую очередь это вода в потребляемых пищевых тканях. Кроме того, при усиленном питании в организме накапливается жировой запас, который используется как
энергетический резерв, а также как источник воды. Как отмечалось выше, в процессе окисления органических веществ в организме образуется вода, называемая метаболической. Она и является дополнительным источником для организма.
Наиболее распространенный минерал на нашей планете — это вода. В. И. Вернадский писал, что нет другого минерала, кроме воды, который мог бы оказать такое влияние на ход основных геологических процессов. Все земные вещества содержат воду.
Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Это единственный минерал, встречающийся на Земле в естественных условиях в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При переходе из твердого состояния в жидкое, в отличие от других веществ, плотность воды вначале возрастает. Это происходит в диапазоне температур от 0 до 4 0С. Максимальная плотность воды имеет место при 4 0С и лишь при дальнейшем нагревании плотность воды уменьшается с увеличением температуры. При 0 0С и переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды скачком уменьшается с 999,9 до 917,01 кг/м3, т. е. более чем на 9 %. Благодаря этому удивительному свойству при приближении зимы и охлаждении всей толщи воды до 4 0С перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается. При дальнейшем понижении температуры окружающей среды вначале происходит охлаждение поверхностного слоя, плотность которого становится меньше, чем нижележащих слоев. Этот поверхностный слой замерзает и остается на поверхности, защищая тем самым нижележащие слои от дальнейшего охлаждения и замерзания [5, с. 197-203].
Если бы плотность воды изменялась так же, как это происходит практически у всех веществ при переходе из жидкого состояния в твердое, то при
приближении зимы поверхностные слои воды охлаждались бы до 0 0С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям. Так происходило бы до тех пор, пока вся толща воды не охладилась до 0 0С и не промерзла.
Благодаря этим свойствам водоемы не промерзают до дна, а лишь имеют ледяной покров. Атомы в кристалле льда расположены неравномерно. Из-за такой рыхлой структуры лед обладает низкой теплопроводностью и хорошо защищает нижележащие слои воды от охлаждения. Поэтому в водоемах средних и низких широт возможны разнообразные и многочисленные формы жизни.
Большое значение для обеспечения существования биосферы имеет и то, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью при 0 0С — 4,211 кДж/(кг-К), а при 20 0С — 4,183 кДж/(кг-К). Для сравнения удельная теплоемкость речного сухого песка составляет всего 0,8 кДж/(кг-К),
глины — 0,84 кДж/(кг-К), глицерина -2,43 кДж/(кг-К). Поэтому при переходе от лета к зиме, а также в ночное время вода медленно остывает, отдавая накопленную ранее энергию. Также в утреннее время и при переходе от зимы к лету вода медленно прогревается. Этим обеспечивается сглаживание амплитуды колебаний среднесуточной и среднегодовой температур.
Свойства воды существенно отличаются от свойств водородных соединений, близких к ней по составу (табл. 1) .
Как видно из табл. 1, свойства воды существенно отличаются от свойств других соединений водородной группы. Аномальность характеристик воды обусловлена строением ее молекул. Она имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра атомов кислорода и водорода образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона — ядра атомов водорода, а в вершине — ядро атома кислорода.
Табл. 1. Основные свойства водородных соединений элементов главной подгруппы VI группы периодической системы
Соединение
Основное свойство Теллуроводород Н2Те Селеноводород ВДе Сероводород ад Вода Н2О
Температура плавления, 0С -51 -65,72 -85,54 0,0
Температура кипения, 0С -4 -41,5 -60,35 100
Теплота испарения, кДж/моль 23,88 19,9 18,7 40,71
Поверхностное натяжение, Н/м2 3,0 2,89 2,87 5,89
Воздействие на организмы Ядовит Ядовит Ядовит Крайне необходим
ПДК, мг/м3 0,01 0,2 10 —
Межъядерные расстояния О-Н в молекуле воды составляют около 0,1 нм, а расстояния между ядрами атомов водорода — примерно 0,15 нм (рис. 2). Внешний электронный слой атома кислорода в молекуле Н2О составляют восемь электронов. Две электронные пары образуют связи О-Н, а остальные четы-
ре электрона представляют собой две неподеленные электронные пары. Электроны, образующие ковалентные связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода, поэтому атомы водорода приобретают положительные заряды, хотя в целом молекула воды является электрически нейтраль-
ной. Неподеленные электронные пары смещены относительно ядра атома кислорода и создают два отрицательных полюса, т. е. молекула является диполь-ной [6, с. 46-50].
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и соответствует ее простейшей формуле. Молекулярная масса жидкой воды несколько выше. Это связано с тем, что в жидкой воде из-за ди-польности молекул происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. При этом между молекулами происходит образование водородных связей, причем длина водородной связи примерно в два раза
больше, чем длина ковалентной связи О-Н в молекуле воды.
Рассмотрим воду в твердом состоянии. Здесь атом кислорода каждой молекулы образует две водородные связи с соседними молекулами воды, причем две соседние молекулы соприкасаются друг с другом разноименными полюсами (рис. 3). В твердом состоянии молекула связана с тремя соседними молекулами и с одной молекулой в соседнем слое. Из-за этого наблюдается рыхлая структура льда. В нем существуют пустоты, размеры которых превышают размеры молекул воды.
Рис. 2. Строение молекулы воды Рис. 3. Ассоциация молекул воды: — ковалентные
связи, — водородные связи
При плавлении льда часть водородных связей разрушается. При температурах, близких к 0 0С, образуются как бы «обломки» структуры льда, состоящие как из определенного количества связанных молекул воды, так и из отдельных молекул. В отличие от льда, такие объединения молекул неустойчивы и время их существования незначительно. Пустоты «ледяных» объединений молекул заполняются отдельными молекулами. Очевидно, что плотность
воды при этом возрастает.
Дальнейшее нагревание воды приводит к уменьшению числа объединений молекул, соответствующих структуре льда. При этом плотность воды возрастает вплоть до температуры воды, равной 4 0С. При дальнейшем повышении температуры воды этот эффект снижается, преобладающим становится тепловое расширение и плотность воды начинает уменьшаться.
Для разрыва водородных связей
необходимы затраты энергии (около 20 кДж/моль). Поэтому вода и обладает такой высокой теплоемкостью. При замерзании водородные связи восстанавливаются, а энергия, затраченная на их разрыв, выделяется в окружающую среду в виде теплоты.
Только при переходе в газообразное состояние водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода кипела бы при температуре, близкой к -66 0С, но она кипит при +100 0С.
Водородные связи играют большую роль и в биохимических процессах, происходящих в живых организмах.
Они обусловливают спиральные конфигурации в молекулах ДНК. К настоящему времени известно более ста разновидностей структурированных ассоциаций молекул воды. Многие ученые склоняются к выводу, что с этим связан механизм памяти в живых организмах.
На этом удивительные свойства воды не исчерпываются. 2Н2 + О2.
Однако даже при 2000 0С степень термической диссоциации воды не превышает 2 %.
На каждую молекулу воды со сто-
роны окружающих молекул действуют силы притяжения. Поэтому результирующие силы поверхностного слоя оказывают на воду давление, называемое молекулярным. Наличием этого давления объясняется явление капиллярности. Сущность его в том, что если в жидкость поместить одним концом открытую в атмосферу трубку малого диаметра (капилляр), то в ней устанавливается уровень жидкости, отличный от исходного. Если поверхность трубки смачивается водой, то образуется вогнутый мениск и вода поднимается на высоту до нескольких метров. Свойство капиллярности позволяет воде циркулировать в горных породах и почвах, обеспечивает кровообращение у животных и движение соков вверх внутри стволов и стеблей растений.
Кроме того, вода играет неоценимую роль по созданию благоприятной среды обитания для живых организмов. Примерно 44 % солнечной энергии, поступающей к верхней границе атмосферы Земли, поглощается поверхностью суши и океана, которые разогреваются и генерируют инфракрасное излучение. Большая часть этого инфракрасного излучения поглощается водяными парами и некоторыми парниковыми газами, а остальная — уходит в космос. Из-за парникового эффекта на нашей планете среднегодовая температура приземного слоя воздуха составляет примерно 14,6 0С. По этой причине, по данным К. Я. Кондратьева [7], приращение температуры в приземном слое АТ равно 33,2 0С, причем вклад паров воды является определяющим и равным 20,6 0С (62,05 %).
В биосфере Земли огромную роль играют буферные возможности океана. Мировой океан является крупнейшим накопителем и перераспределителем преобразованной в тепловую солнечной энергии. При этом стабилизируются многие экологические факторы, например, климат, температура, влажность воздуха. На 1 м суши нашей планеты
приходится более 8000 м3 воды Мирового океана.
Происхождение воды на нашей планете до сих пор не объяснено. Вместе с тем, очевидно, что для образования молекулы воды необходимо два атома водорода и один атом кислорода. Поэтому многие ученые считают, что вода образовалась в результате синтеза водорода и кислорода на первых этапах формирования Земли из газопылевого облака. Эта гипотеза довольно логично объясняет возникновение воды на нашей планете.
Если первичная атмосфера Земли сохранила исходный состав среды, из которой образовалась, то она была водородно-гелиевой и водорода было достаточно для синтеза воды. Скорее всего кислород выделялся из недр Земли, где происходил его синтез, т. к. до сих пор при извержении вулканов в атмосферу выделяется большое количество СО2.
Часть молекул и атомов в верхних слоях атмосферы, где ее плотность низка, двигаются со скоростью, превышающей вторую космическую, и беспрепятственно уходят за пределы планеты. Этот процесс называется диссипацией. Для образования на планете достаточно большого количества воды необходимо, чтобы существенная часть водорода, находящаяся в первичной атмосфере, не успела диссипировать, а соединилась с кислородом. Это накладывает довольно жесткие условия на массу планеты, ее радиус и расстояние до звезды.
Существует также гипотеза, что вода попала на Землю из космического пространства при ее формировании. На наш взгляд эта гипотеза значительно слабее первой, т. к. возникает вопрос: почему эта вода не попала на другие планеты Солнечной системы?
Итак, для существования жизни на Земле необходимо два ключевых условия: наличие источника световой энергии и воды. Как уже отмечалось, таким
источником энергии является Солнце и, по данным астрофизиков, оно будет существовать в почти неизменном виде еще несколько миллиардов лет. Здесь человечество что-нибудь предпринять пока не в состоянии. Вода находится на Земле и зачастую используется людьми крайне нерационально. Поэтому важнейшей задачей для человечества является сберечь этот драгоценный минерал для будущих поколений.
Как отмечалось выше, при фотосинтезе образуются углеводы, т. е. вещества, содержащие углерод. Таким образом, без углерода невозможно создание первичной органической продукции фотосинтезирующими организмами.
Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и виде многочисленных соединений. Он является важнейшим биогенным элементом, структурной составляющей органических соединений, участвующих в построении живых организмов. В первую очередь это высокомолекулярные соединения: белки, аминокислоты, жиры, ДНК и т. п., а также низкомолекулярные вещества: витамины, гормоны и др.
Особая роль углерода в живых организмах обусловлена совокупностью его уникальных свойств. Такими свойствами не обладает ни один элемент периодической системы Д. И. Менделеева. Между атомами углерода образуются прочные связи трех типов: одинарные, двойные и тройные. Одинарные связи образуются за счет одной пары электронов, двойные — двух пар электронов, тройные — трех пар электронов. Для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, что позволяет создавать углеродные скелеты различных типов: линейные, разветвленные и циклические (рис. 4). Этим обеспечивается большое разнообразие углеродных соединений. Например, в настоящее время известно примерно 1 млн неорганических соединений, в то время как органических соединений — более 5 млн.
Между атомами углерода и атомами других элементов связи довольно прочные. Поэтому для их разрыва в неживой природе необходимы значительные затраты энергии. В живых организмах из-
за наличия ферментов-катализаторов разрыв этих связей происходит в достаточно мягких физиологических условиях при незначительных затратах энергии.
а! -С-С-С-С-С-I І І I
5)
Ы
-С—С—С-
1 с-1
I
-с-с-
I I -С-С-I I
Рис. 4. Элементы углеродных скелетов:
а — линейных; б — разветвленных; в — циклических
Рис. 5. Органические молекулы с «левой» и «правой» асимметрией
Выше отмечалась огромная роль воды для жизнедеятельности организмов, состоящей всего из двух элементов: водорода и кислорода. Третьим по значимости элементом (а может и первым) является углерод. Три этих элемента составляют 98 % от общей массы живых организмов. Доля остальных элементов всего 2 %, хотя их роль достаточно значима. Этим объясняется рациональность построения молекул живых организмов: при практически бесчисленном разнообразии углеродных соединений число типов химических связей невелико и, соответственно, для разрыва этих связей при биохимических реакциях необходимо небольшое число ферментов-катализаторов.
Уникальность строения атома углерода лежит в основе изомерии орга-
нических соединений. Изомерия — это явление, заключающееся в существовании соединений, одинаковых по химическому составу и молекулярной массе, но различающихся по строению и расположению атомов в пространстве и, в результате этого, по свойствам. В живых организмах это свойство проявляется следующим образом: молекулы
живых организмов имеют только левую асимметрию (рис. 5).
Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет: у водных животных и растений — 34,5…40 %, у наземных растений и животных — 45,4.46,5 %, у микроорганизмов — 54 %.
Как отмечалось ранее, в процессе фотосинтеза участвует углекислый газ, молекула которого «достраивается» до
сложной молекулы сахара. В процессе жизнедеятельности организмов происходит распад органических соединений с выделением в окружающую среду СО2. После гибели растений и животных с помощью микроорганизмов происходит минерализация органических остатков также с выделением СО2. При большом избытке отмершей органической продукции микроорганизмы не успевают ее перерабатывать и происходит минерализация углерода. В результате образуются каменные и бурые угли, известняки, нефть. Растворенный в водах и биологических жидкостях СО2 обеспечивает оптимальную для процессов жизнедеятельности кислотность среды. В составе СаСО3 углерод участвует в образовании наружных скелетов беспозвоночных, содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц.
Углерод — один из достаточно распространенных элементов на Земле. В земной коре его массовое содержание
составляет около 0,1 %, в воздухе -около 0,0001 %. Несмотря на такое незначительное содержание, как отмечалось выше, углерод играет ключевую роль в функционировании биосферы. Следует отметить, что для функционирования механизма биосферы необходим не углерод в чистом виде, а его соединение — СО2. Только при таком соединении возможно дальнейшее использование углерода для образования первичных органических соединений.
Два основных соединения СО2 и Н2О и световая энергия поступают из неживой природы к живым фотосинтезирующим организмам, в которых происходит синтез и накопление первичной органической продукции. Это своеобразный мостик из неживой природы в живую (рис. 6). Органическая продукция последовательно используется другими живыми организмами вплоть до полной минерализации и возвращения в неживую природу.
Рис. 6. Связь между живой и неживой природой
Таким образом, обыкновенный зеленый листок дерева, травинки — удивительные создания — являются связующим звеном между неживой и живой природой. Без них невозможно существование биосферы.
Следует отметить, что для функционирования живых организмов необходимы и другие химические элементы, например, хлор для хлоропласта зеленого листа. Но, на наш взгляд, они играют все-таки вспомогательную роль, поскольку для подавляющего числа живых организмов по сравнению с углеродом, водородом и кислородом они нужны в ничтожно малых количествах.
Таким образом, жизнь на нашей планете невозможна без наличия воды и притока солнечной энергии. Если излучение энергии Солнцем не зависит от человечества, то бережное отношение к воде — прямая обязанность каждого жителя Земли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шкловский, И. С. Вселенная, жизнь, разум / И. С. Шкловский ; под ред. Н. С. Карда-шева и В. И. Мороза. — М. : Наука, 1987. — 320 с.
2. Цветкова, Л. И. Экология : учебник для технических вузов / Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев ; под ред. Л. И. Цветковой. — М. : АСВ ; СПб. : Химиздат, 1999. — 488 с.
3. Общая и прикладная экология дорожно-транспортного комплекса : учеб. пособие для студентов вузов / А. В. Бусел [и др.] ; под ред. Е. В. Кашевской. — Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2004. — 392 с.
4. Шилов, И. А. Экология : учебник для биологических и медицинских специальностей вузов / И. А. Шилов. — М. : Высш. шк., 2000. -512 с.
5. Глинка, Н. Л. Общая химия : учеб. пособие для вузов / Н. Л. Глинка ; под ред. В. А. Рабиновича. — Л. : Химия, 1983. — 704 с.
6. Леше, К. Физика молекул : пер. с нем. / А. Леше. — М. : Мир, 1987. — 232 с.
7. Кондратьев, К. Я. Глобальный климат / К. Я. Кондратьев. — СПб. : Наука, 1992. — 358 с.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 07.01.2010
S. D. Haliuzhyn, D. S. Haliuzhyn,
O. M. Lobikova
Fundamental factors of the existence of life on the earth
The analysis of major factors exerting the greatest influence on the processes of functioning of living organisms of the global biosphere is given. It is shown that these fundamental factors are the availability of solar energy, water and carbon.
Астрономы нашли планеты с условиями для жизни лучше, чем на Земле
https://ria.ru/20201005/ekzoplanety-1578211032.html
Астрономы нашли планеты с условиями для жизни лучше, чем на Земле
Астрономы нашли планеты с условиями для жизни лучше, чем на Земле — РИА Новости, 05.10.2020
Астрономы нашли планеты с условиями для жизни лучше, чем на Земле
В космосе есть планеты, которые подходят для жизни гораздо больше, чем Земля. К такому выводу пришли американские и немецкие астробиологи. Результаты… РИА Новости, 05.10.2020
2020-10-05T11:41
2020-10-05T11:41
2020-10-05T11:50
наука
земля
космос — риа наука
европейское космическое агентство
наса
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdn25.img.ria.ru/images/07e4/03/0a/1568382908_0:36:1920:1116_1920x0_80_0_0_9d056c3d10c08e2957774edf13c6c835.jpg
МОСКВА, 5 окт — РИА Новости. В космосе есть планеты, которые подходят для жизни гораздо больше, чем Земля. К такому выводу пришли американские и немецкие астробиологи. Результаты исследования опубликованы в журнале Astrobiology.Исследователи собрали данные о температуре, влажности и других факторах среды для 4,5 тысячи известных экзопланет и выделили среди них 24, которые немного старше, больше, теплее и, возможно, более влажные, чем Земля, а также вращаются вокруг медленно меняющихся звезд с большей продолжительностью жизни, чем наше Солнце. По мнению авторов, на таких планетах, которым они дали условное название потенциально «сверхобитаемых», жизнь имела больше возможностей развиться до высших форм, чем на Земле.Все эти 24 планеты находятся на расстоянии более ста световых лет от нас, и в будущем их можно будет изучить с помощью космических телескопов НАСА «Джеймс Уэбб» и LUVIOR, а также PLATO Европейского космического агентства.Из Кеплеровского архива звезд авторы выбрали планетно-звездные системы с планетами земного типа, находящимися в обитаемой зоне жидкой воды. При этом исследователей в первую очередь интересовали звезды G-типа — того же спектрального класса, что и Солнце, а также более долгоживущие карликовые звезды К-класса.Дело в том, что у G-звезд относительно короткий срок жизни — менее десяти миллиардов лет. Учитывая то, что на появление сложной жизни на Земле потребовалось почти четыре миллиарда лет, у многих звезд, похожих на Солнце, могло закончиться топливо еще до появления сложных форм.К-звезды несколько холоднее, менее массивные и менее яркие, чем наше Солнце, но живут дольше — от 20 до 70 миллиардов лет. Это значит, что жизнь на вращающихся вокруг них планетах имеет больше времени для развития. Оптимальный период, по мнению авторов, — от пяти до восьми миллиардов лет: после этого, скорее всего, иссякнет внутреннее геотермальное тепло планет и исчезнет их защитное магнитное поле.Размер и масса тоже имеют значение. Ученые считают, что больше подходят для жизни планеты, которые процентов на десять-пятьдесят больше Земли. Они дольше будут сохранять внутренний нагрев за счет радиоактивного распада, а также дольше удерживать атмосферу за счет более сильной гравитации.По мнению авторов, жизни также легче развиться в условиях повышенной влажности и немного более высокой — примерно на пять градусов Цельсия — температуры, чем на Земле. В качестве доказательства они приводят тот факт, что зоны тропических лесов обладают значительно большим биологическим разнообразием, чем более холодные или засушливые районы.Авторы отмечают, что отнесение планет к категории «сверхобитаемых» не означает, что на этих планетах определенно есть жизнь, просто условия на них — благоприятные для развития сложной жизни.
https://ria.ru/20200131/1564097963.html
https://ria.ru/20200127/1563930651.html
земля
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2020
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdn24.img.ria.ru/images/07e4/03/0a/1568382908_192:0:1728:1152_1920x0_80_0_0_4420767cf91866fd21105ffa9c91b08a.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
земля, космос — риа наука, европейское космическое агентство, наса
МОСКВА, 5 окт — РИА Новости. В космосе есть планеты, которые подходят для жизни гораздо больше, чем Земля. К такому выводу пришли американские и немецкие астробиологи. Результаты исследования опубликованы в журнале Astrobiology.Исследователи собрали данные о температуре, влажности и других факторах среды для 4,5 тысячи известных экзопланет и выделили среди них 24, которые немного старше, больше, теплее и, возможно, более влажные, чем Земля, а также вращаются вокруг медленно меняющихся звезд с большей продолжительностью жизни, чем наше Солнце. По мнению авторов, на таких планетах, которым они дали условное название потенциально «сверхобитаемых», жизнь имела больше возможностей развиться до высших форм, чем на Земле.
Все эти 24 планеты находятся на расстоянии более ста световых лет от нас, и в будущем их можно будет изучить с помощью космических телескопов НАСА «Джеймс Уэбб» и LUVIOR, а также PLATO Европейского космического агентства.»С появлением новых космических телескопов мы получим больше информации, поэтому важно выбрать правильные цели, — приводятся в пресс-релизе Университета штата Вашингтон слова руководителя исследования профессора Дирка Шульце-Макуха (Dirk Schulze-Makuch). — Мы должны сосредоточиться на определенных планетах, которые имеют наиболее многообещающие условия для сложной жизни. Важно не замыкаться только на поисках второй Земли, потому что могут быть планеты, которые подходят для жизни даже больше, чем наша».Из Кеплеровского архива звезд авторы выбрали планетно-звездные системы с планетами земного типа, находящимися в обитаемой зоне жидкой воды. При этом исследователей в первую очередь интересовали звезды G-типа — того же спектрального класса, что и Солнце, а также более долгоживущие карликовые звезды К-класса.
31 января 2020, 11:54НаукаУченые нашли новый способ изучения истории звезд по их экзопланетамДело в том, что у G-звезд относительно короткий срок жизни — менее десяти миллиардов лет. Учитывая то, что на появление сложной жизни на Земле потребовалось почти четыре миллиарда лет, у многих звезд, похожих на Солнце, могло закончиться топливо еще до появления сложных форм.
К-звезды несколько холоднее, менее массивные и менее яркие, чем наше Солнце, но живут дольше — от 20 до 70 миллиардов лет. Это значит, что жизнь на вращающихся вокруг них планетах имеет больше времени для развития. Оптимальный период, по мнению авторов, — от пяти до восьми миллиардов лет: после этого, скорее всего, иссякнет внутреннее геотермальное тепло планет и исчезнет их защитное магнитное поле.
Размер и масса тоже имеют значение. Ученые считают, что больше подходят для жизни планеты, которые процентов на десять-пятьдесят больше Земли. Они дольше будут сохранять внутренний нагрев за счет радиоактивного распада, а также дольше удерживать атмосферу за счет более сильной гравитации.
По мнению авторов, жизни также легче развиться в условиях повышенной влажности и немного более высокой — примерно на пять градусов Цельсия — температуры, чем на Земле. В качестве доказательства они приводят тот факт, что зоны тропических лесов обладают значительно большим биологическим разнообразием, чем более холодные или засушливые районы.
«Иногда трудно объяснить принцип сверхобитаемости, потому что мы традиционно думаем, что у нас лучшая для жизни планета, — говорит Шульце-Макух. — У нас есть большое количество сложных и разнообразных форм жизни, и многие из них выживают в экстремальных условиях. Адаптируемость — это хорошо, но это не означает, что Земля — лучшая планета».
Авторы отмечают, что отнесение планет к категории «сверхобитаемых» не означает, что на этих планетах определенно есть жизнь, просто условия на них — благоприятные для развития сложной жизни.
27 января 2020, 16:06НаукаУченые обнаружили самую горячую экзопланетуУчёные выявили 24 планеты с лучшими условиями для жизни, чем на Земле
Совсем недавно показалось бы удивительным, что астрономы могут наблюдать в телескопы планеты у звёзд за сотни световых лет от нашей системы. Но это так, в чём сильно помогли космические телескопы, выведенные на орбиты. В частности, миссия «Кеплер», за десятилетие работы собравшая базу в тысячи экзопланет. Эти архивы ещё изучать и изучать, а новые подходы к анализу позволяют делать интересные открытия.
Экзопланета в представлении художника (источник изображения NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech)
Например, в свежей статье в издании Astrobiology команда учёных из Вашингтонского государственного университета сообщила о подборе 24 экзопланет, условия жизни на которых могут оказаться более благоприятными, чем на Земле. Экзопланеты выбраны из базы миссии орбитального телескопа «Кеплер», обнаружить которые помог так называемый транзитный метод, когда планета обнаруживается при проходе по диску родной звезды.
Но прежде чем искать внеземные «райские уголки», учёные сформировали критерии, по которым и был проведён новый отбор. Так, кроме поиска экзопланет в обитаемой зоне звёзд, где жидкая вода могла бы удержаться на скалистой планете и не замёрзнуть или выкипеть, в факторы поиска добавили несколько новых. Во-первых, предложено искать экзопланеты в системах звёзд чуть меньше Солнца, которые относятся к классу K (Солнце относится к классу G). Чуть менее горячие карлики типа K живут до 70 млрд лет, тогда как звёзды типа G не отличаются долголетием и проживают около 10 млрд лет. Путь длиной в 70 млрд явно может дать развитию жизни больше шансов, чем путь в семь раз короче.
Во-вторых, чуть больший размер экзопланеты, чем Земля, скажем, на 10 % больше, обеспечил бы больше площади для жизни. В-третьих, более массивная экзопланета, раза в полтора больше Земли, могла бы дольше удерживать атмосферу и, за счёт более активного и большего ядра, дольше держала бы тепло. То же касается электромагнитного поля, которое, как считается, во многом появляется благодаря ядру. В-четвёртых, будь среднегодовая температура на экзопланете больше на 5 °C, чем на Земле, это тоже положительно сказалось бы на биоразнообразии.
В целом, ни одна из 24 экзопланет-кандидатов на роль «райского уголка» не может похвастаться всем комплексом благоприятствующих буйству жизни факторов, но одна из них удовлетворяет одновременно четырём критериям. Тем самым учёные выбрали цель для более пристального изучения кандидатов на инопланетную жизнь. А научные силы и средства не бесконечные. Без цели никак нельзя.
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Названы более подходящие для жизни планеты, чем Земля
Астрономы сформировали список из 24 планет, которые могут лучше подходить для развития сложной многоклеточной жизни, чем наша собственная.
Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Astrobiology.
Внеземной рай
Уже в ближайшие годы в строй вступят телескопы, которые позволят подробно изучать экзопланеты. На сегодняшний день открыто более четырёх тысяч миров, и астрономы постоянно находят новые. Естественно, что учёные не смогут тщательно изучить каждый из них (по крайней мере, пока к этому делу не подключится искусственный интеллект). Значит, пока нужно сосредоточиться на самых интересных планетах. А что может быть интереснее внеземной жизни?
Но как же понять, какая экзопланета может иметь биосферу? Ответ на этот вопрос не так прост, как может показаться.
Мы знаем только один обитаемый мир – Землю. И естественно, что наиболее комфортными для живых организмов нам кажутся экзопланеты, похожие на неё. Но, быть может, мы не так уж правы?
Представим себе оленевода, никогда не покидавшего тундры и даже не слышавшего о более тёплых краях. Возможно, он скажет, что именно тундра – самое подходящее для жизни место. Не совершаем ли мы ту же ошибку?
«Мы должны сосредоточиться на определённых планетах, условия на которых наиболее многообещающие для [появления] сложной жизни. Однако мы должны быть осторожны, чтобы не зациклиться на поисках второй Земли, потому что могут быть планеты, которые могут быть более подходящими для жизни, чем наша», – считает первый автор новой статьи Дирк Шульце-Макух (Dirk Schulze-Makuch) из Вашингтонского университета.
Итак, что же может сделать планету более пригодной для развития сложных живых организмов, чем Земля?
Разумеется, стоило бы учитывать множество параметров, например, состав атмосферы и геологическую активность другого мира. Но некоторые из них пока очень трудно или даже невозможно оценить, когда речь идёт о далёких планетах.
Между тем наблюдателей прежде всего интересуют параметры, которые они могли бы установить уже сейчас. Ведь именно по данным ныне действующих телескопов придётся формировать «шорт-листы» объектов для детального изучения в инструменты будущего.
Горячие и влажные
Разумеется, важнейший из таких параметров – температура на планете. Её можно вычислить по светимости звезды и расстоянию от неё до экзопланеты.
Не секрет, что на Земле самым большим биоразнообразием отличаются жаркие и одновременно влажные регионы. Тропический лес богаче видами живых организмов, чем холодная тундра или жаркая, но сухая пустыня.
Средняя температура Земли составляет +14 °C. Авторы считают, что более подходящим для жизни был бы мир со средней температурой +19 °C (разумеется, при обилии воды).
Вероятность возникновения жизни во Вселенной зависит от очень большого числа параметров. Для этого однозначно нужен гостеприимный мир.
Дать эволюции время
Следующий важный вопрос: сколько времени нужно, чтобы появились сложные организмы? Земле сейчас примерно 4,5 миллиарда лет. Древнейшим следам жизни при этом более 3,8 миллиарда лет, а по некоторым оценкам биосфера должна быть ещё древнее. То есть на нашей планете жизнь возникла, когда планете было менее миллиарда лет.
С другой стороны, только через два миллиарда лет после рождения Земли появились цианобактерии, вырабатывающие кислород, и этот газ начал накапливаться в атмосфере. Ещё 1,7–1,9 миллиарда лет понадобилось, чтобы его содержание достигло современного уровня. И только тогда на сцену вышли макроскопические животные.
Иными словами, Земле потребовалось примерно 3,7 миллиарда лет, или 80% её текущего возраста, чтобы стать подходящим местом для макроскопических животных. К слову, это значительно меньше, чем земной фауне осталось существовать.
Дело в том, что светимость всех звёзд медленно растёт в течение жизни, и Солнце – не исключение. Уже через 1,1 миллиарда лет на Земле станет настолько жарко, что жизнь в её нынешнем виде будет невозможной.
Это значит, что миры, населённые сложными, а тем более разумными существами нужно искать у звёзд, дающих эволюции больше времени. Например, у оранжевых карликов, продолжительность жизни которых в 1,5–3 раза больше, чем у Солнца.
(Отметим, что красные карлики живут ещё дольше, но на них случаются очень мощные и опасные для всего живого вспышки. Оранжевые карлики имеют более спокойный нрав).
При этом за это долгое время планета не должна лишиться атмосферы, которая постепенно утекает в космос. Нужно ей и магнитное поле, защищающее жизнь от космической радиации, а оно генерируется горячими недрами планеты.
То есть экзопланета должна быть достаточно большой, чтобы её гравитация удержала атмосферу в течение многих миллиардов лет, а недра за это время не остыли. По расчётам авторов, оптимальной была бы масса на 10% больше массы Земли.
Экзопланета Kepler-62f расположена в 1200 световых годах от Земли. Но мы можем только гадать, как он выглядит.
Список претендентов
Итак, те критерии, на которые наблюдатели могут опираться уже сейчас – это температура на планете, возраст системы, класс её солнца и масса экзопланеты.
Исходя из этого, авторы составили список из 24 миров, которые потенциально могут быть более гостеприимны, чем Земля.
Эти объекты они выбирали из перечня так называемых объектов интереса миссии «Кеплер» (Kepler Objects of Interest). В этот список попадают звёзды, у которых знаменитый космический телескоп, предположительно, обнаружил планету.
Однако существование экзопланеты признаётся достоверно установленным, только когда его подтверждают независимые наблюдения на другом инструменте. Только два мира из отобранных авторами двадцати четырёх уже выдержали этот экзамен. Все остальные ещё ждут подтверждения и признания.
Из 24 потенциальных миров 16 имеют возраст 5–8 миллиардов лет, девять обращаются вокруг оранжевых карликов и пять имеют температуру в пределах 9–29 градусов Цельсия. Только одна планета (KOI 5715.01) удовлетворяет всем трём критериям сразу. Впрочем, она, скорее всего, немного холоднее Земли.
Разумеется, среди более чем 4000 известных экзопланет может быть куда больше кандидатов в сверхгостеприимные планеты. Авторы подчёркивают, что их целью было не составить окончательный список, а скорее продемонстрировать принципы его составления.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о всеобъемлющем руководстве для поиска обитаемых миров и о планете, идеальной для жизни.
Какие условия необходимы для жизни?
Как ни странно, на самом деле нет единого стандартного определения жизни. Мы не можем сказать, что жизнь требует чего-то столь же особенного, как дыхание или рост; слишком много разнообразия живых существ, чтобы можно было сформулировать один конкретный критерий.
Что мы можем сделать, так это поговорить о некоторых вещах, которые есть у всех живых существ на Земле: они основаны на углероде; им нужна вода; они используют энергию. Возможно, наиболее важным для выживания является то, что они могут каким-то образом расти или воспроизводиться.
Так что же все ученые и астробиологи ищут, когда ищут признаки жизни за пределами Земли? Давайте глубже посмотрим, что требуется для существования жизни.
Как мы только что сказали, основным требованием является вода, которая необходима для многих химических реакций [источник: НАСА]. Жидкая вода позволяет транспортировать или растворять химические вещества, поэтому нам нужно, чтобы температура воды составляла от 59 до 239 градусов по Фаренгейту (от 15 до 115 градусов по Цельсию), чтобы она не испарялась и не замерзла [источник: НАСА].
Энергия — в легкой или химической форме — также необходима для жизни. Обе формы подпитывают метаболические реакции, которые позволяют жизни воспроизводиться. Наряду с энергией мы должны убедиться, что на любой планете есть защитная атмосфера, которая не пропускает солнечную радиацию, но при этом сохраняет планету теплой.
Конечно, жизнь также нуждается в питательных веществах, которые будут поддерживать ее. Атмосфера планеты или луны может даже обеспечить это. Метан, например, может производить углеводы и жиры, которые могут способствовать моей планете обязательных сыров и вина [источник: НАСА].Эти системы должны иметь возможность пополнять запасы питательных веществ, что не проблема, если на вашей планете происходят такие события, как извержения вулканов или погодные системы, производящие воду.
Но вот загвоздка: хотя ученые могут довольно уверенно утверждать, что эти вещи могут быть необходимы для жизни на Земле, мы должны помнить, что мы основываем все наши предположения на Земле. Мы не можем знать наверняка, могут ли другие планеты или луны укрывать «жизненную» форму, которая не требует того же, что и земные системы.А пока мы будем искать планеты с питательными веществами, энергией и водой.
Каковы требования к жизни, чтобы возникнуть и выжить?
Химия
Многие астробиологи полагают, что если мы найдем живые организмы на других планетах в нашей солнечной системе и в других местах Вселенной, они станут для нас живыми. Они считают, что свойства углерода, которые позволили ему стать основой всей жизни на Земле, уникальны для этого атома.Разнообразие типов химических связей, которые может образовывать углерод, делает его основой сложных цепочек различных молекул. Похоже, что ни один другой атом не может сделать это аналогичным образом. Даже кремний, который имеет такое же количество валентных электронов, как углерод, не может образовывать столько молекул, сколько углерод. Однако это не означает, что вся жизнь обязательно будет основана на ДНК и клетках, как на Земле.
Вода — еще одно весьма вероятное требование для возникновения жизни.Любая жизнь, основанная на молекулах, почти наверняка требует какого-то жидкого растворителя, чтобы перемещать их. Хотя химические реакции могут происходить в газах и твердых телах, они гораздо менее идеальны, чем жидкости. Газофазные реакции происходят только с молекулами, которые достаточно летучие, чтобы присутствовать в газе в больших количествах. Реакции могут протекать в твердых телах, но происходят очень медленно. Оба эти ограничения повышают вероятность развития жизни в жидкости, как это действительно происходит на Земле.
Вода обладает множеством уникальных физических и химических свойств, благодаря которым она хорошо подходит для поддержания сложных химических процессов, необходимых для жизни. Расширение при замерзании предотвращает замерзание океанов и озер на Земле. Вода может легко растворять многие вещества, а также обладает высокой теплоемкостью, а это означает, что требуется много энергии, чтобы заставить воду изменить температуру. Это свойство воды придает Земле относительно умеренный климат.
Вода также является второй по распространенности молекулой во Вселенной (после h3).Во Вселенной естественным образом существуют другие жидкости, но не в том виде, в каком изобилует вода. Большинство этих жидкостей не обладают многими другими ключевыми свойствами воды, которые делают их подходящей основой для жизни.
Жилая зона
Многие астробиологи считают, что для того, чтобы жизнь возникла и выжила, она должна быть найдена на планете или луне в пределах обитаемой зоны звезды. Жилая зона относится к области вокруг звезды, в которой жидкая вода может образовываться и оставаться жидкой.Размер звезды тоже важен. Звезды, которые намного больше Солнца, имеют такое короткое время жизни, что маловероятно, что у них будет достаточно времени для развития любого вида жизни, особенно сложной жизни.
На приведенной ниже диаграмме из Википедии сравнивается обитаемая зона Солнца и гораздо меньшей звезды, Gliese 581. Чем больше и ярче звезда, тем дальше должны вращаться ее планеты, чтобы оказаться в обитаемой зоне.
Планеты в обитаемой зоне малых звезд могут все еще быть непригодными для жизни, потому что эти планеты находятся так близко к своей звезде, что они заблокированы приливом.Это означает, что гравитационное притяжение, удерживающее их на орбите вокруг звезды, заставило планету всегда иметь одну сторону планеты, обращенную к звезде, а другую — в противоположную сторону. Это, скорее всего, приведет к тому, что сторона, обращенная к звезде, будет слишком горячей для существования жидкой воды, а другая сторона будет слишком холодной.
Наше Солнце кажется подходящим размером для развития жизни. Она достаточно мала, чтобы иметь долгую жизнь, но достаточно велика, чтобы планета могла существовать в обитаемой зоне и поддерживать быстрое вращение при движении по орбите.
Недавние открытия некоторых спутников Юпитера заставили некоторых ученых задуматься о расширении определения обитаемой зоны. Сильное гравитационное притяжение, вызванное большими планетами и приливными взаимодействиями между вращающимися лунами, может производить достаточно энергии, чтобы нагреть ядра этих лун. При определенных обстоятельствах этой энергии может быть достаточно, чтобы хотя бы части Луны оставались достаточно теплыми, чтобы поддерживать жидкую воду, даже если Луна находилась слишком далеко от звезды, чтобы находиться в обитаемой зоне, созданной звездой.
Млечный Путь также имеет свою жилую зону. В центре Млечного Пути гораздо больше звезд, чем во внешних областях. Взрывы близких сверхновых происходят гораздо чаще, и радиация стерилизует любые планеты с жизнью в этом регионе. Звезды, расположенные очень близко к центру галактики, будут получать интенсивное рентгеновское излучение от сверхмассивной черной дыры в центре галактики, и маловероятно, что жизнь сможет развиваться в такой среде.
Звезды, расположенные ближе к краю галактики Млечный Путь, обычно являются звездами населения II.У этих очень старых звезд очень мало тяжелых элементов, поэтому у этих звезд с меньшей вероятностью будут планеты и сложный химический состав, необходимый для жизни.
Кроме того, нам повезло, что наша звезда продолжает оставаться в обитаемой зоне, как это было на протяжении миллиардов лет. Многие звезды на галактической орбите имеют более эксцентрические орбиты, поэтому, хотя они могут время от времени пересекать обитаемую зону, они, вероятно, не остаются достаточно долго, чтобы жизнь могла возникнуть и выжить в долгосрочной перспективе.
Зеленая полоса на этом изображении, сделанном НАСА / Калтехом, показывает галактический обитаемый зоме, который часто описывается как кольцевое пространство в 4–10 кпк от центра галактики.
Очистка Солнечной системы
Еще одним ключевым ингредиентом формирования жизни, похоже, является наличие большой планеты, такой как Юпитер, в планетной системе. Поскольку Юпитер намного массивнее всех других планет, он привлекает множество астероидов, комет и других объектов, которые путешествуют по Солнечной системе. Это важно, потому что в противном случае некоторые из этих объектов в конечном итоге врезались бы в Землю, как это было со многими на самом раннем этапе формирования Солнечной системы.Гравитация Юпитера вместе с атмосферой Земли в совокупности защищает Землю от множества ударов, которые наверняка бы стерилизовали Землю много раз.
Тектоника плит
В отличие от Венеры и Марса, земная кора постоянно подвергается переработке. Это предохраняет уровень углекислого газа в атмосфере от слишком высокого или слишком низкого. Если уровни становятся слишком высокими (как на Венере), они действуют как парниковый газ, и планета становится слишком горячей. Жидкая вода испаряется, и поверхность планеты высыхает.Если уровни становятся слишком низкими, планета остывает и начинается ледниковый период. Это происходило несколько раз в истории Земли, но каждый раз из-за движения пластин и продолжающейся рециркуляции углерода в горных породах углерод выбрасывался в атмосферу, в конечном итоге повышая уровень углекислого газа и позволяя планете снова нагреваться. . Без этого углеродного цикла планеты, похоже, не смогут поддерживать климатический баланс, необходимый для поддержания жизни.
Жизнь на Марсе: исследования и доказательства
Когда вы представляете себе места, где потенциально могла бы обитать внеземная жизнь, некоторые места вдохновляют воображение, как один из ближайших соседей Земли.На протяжении веков человек смотрел на Марс и представлял его домом для других существ. За последние пятьдесят лет различные миссии к красной планете пытались определить вероятность такой эволюции. Но насколько вероятна жизнь на Марсе?
Это изображение, полученное марсоходом НАСА Curiosity, смотрит к югу от места посадки марсохода на Марсе в сторону горы Шарп. Это часть большой цветной мозаики с высоким разрешением, сделанной из изображений, полученных с помощью мачтовой камеры Curiosity. Изображение выпущено 14 августа 2012 г.(Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech / MSSS)Обитаемая среда
В поисках жизни большинство астробиологов согласны с тем, что вода является ключевым фактором. Все формы земной жизни нуждаются в воде, и хотя возможно, что жизнь могла бы развиваться без драгоценной жидкости, легче искать условия, которые, как известно, являются оптимальными, чем условия, которые, как мы предполагаем, могли бы быть ». Alien Life]
Это поднимает проблему на Марсе: планета сегодня сухая и бесплодная, большая часть воды находится в полярных ледяных шапках.Тонкая атмосфера планеты позволяет солнечному излучению освещать поверхность планеты, усугубляя проблемы окружающей среды. Доказательства наличия воды впервые появились в 2000 году, когда изображения, полученные от Mars Global Surveyor НАСА, обнаружили овраги, которые, казалось, образовались из проточной воды.
Но Марс не всегда был безлюдной пустошью. Ученые считают, что в прошлом вода могла течь по поверхности реками и ручьями, а планету покрывали обширные океаны. Со временем вода растворилась в космосе, но ранние условия на более влажной планете могли быть подходящими для развития жизни.Согласно одной из оценок, древний океан мог покрывать до 19 процентов поверхности планеты по сравнению с 17 процентами, покрытыми Атлантическим океаном Земли.
«Поскольку Марс теряет такое количество воды, планета, скорее всего, была влажной в течение более длительного периода времени, чем считалось ранее, что позволяет предположить, что она могла быть пригодной для проживания дольше», — сказал Майкл Мамма, старший научный сотрудник Годдарда. утверждение.
Также возможно, что жидкая вода течет на современном Марсе либо на поверхности, либо под ней.Сегодня продолжается дискуссия о том, образуются ли элементы, известные как повторяющиеся линии склона (RSL), из текущих водных потоков или бегущего песка. «Мы думали о RSL как о возможных потоках жидкой воды, но склоны больше похожи на то, что мы ожидаем от сухого песка», — сказал в заявлении Колин Дандас из Научного центра астрогеологии Геологической службы США во Флагстаффе, штат Аризона. «Это новое понимание RSL поддерживает другие свидетельства того, что Марс сегодня очень сухой.
Вода под поверхностью может быть даже лучше для жизни.Подземные воды могут защитить потенциальную жизнь от резкого излучения. Есть свидетельства наличия ледяных отложений размером с Верхнее озеро. «Это месторождение, вероятно, более доступно, чем большая часть водяного льда на Марсе, потому что оно находится на относительно низкой широте и находится в плоской гладкой местности, где посадка космического корабля будет легче, чем в некоторых других областях с погребенным льдом», Об этом говорится в заявлении исследователя Джека Холта из Техасского университета.
Крошечные НЛО
За последние четыре миллиарда лет Землю посетило множество посетителей с Марса.Наша планета подверглась бомбардировке камнями, взорванными с поверхности красной планеты, одного из немногих тел в солнечной системе, с которых ученые получили образцы. Ученые определили, что из 34 марсианских метеоритов три потенциально могут нести доказательства прошлой жизни на Марсе.
Метеорит, найденный в Антарктиде, попал в заголовки газет в 1996 году, когда ученые заявили, что он может содержать доказательства существования на Марсе следов жизни. Марсианская порода, известная как ALH 84001, содержала структуры, напоминающие окаменелые останки бактериоподобных форм жизни.Последующие тесты выявили органический материал, хотя споры о том, был ли этот материал вызван биологическими процессами, не утихали до 2012 года, когда было установлено, что эти жизненно важные ингредиенты были сформированы на Марсе без участия жизни.
«Очевидно, что на Марсе уже давно существует химический состав органического углерода», — сказал SPACE.com ведущий автор исследования Эндрю Стил, микробиолог из Вашингтонского института Карнеги.
Однако эти органические молекулы образовались не из биологии, а из вулканизма.Несмотря на каменистое происхождение молекул, их органическая природа может оказаться положительным моментом в поисках жизни.
«Теперь мы обнаруживаем, что на Марсе есть органическая химия, а на Земле органическая химия привела к появлению жизни, так какова судьба этого материала на Марсе, сырья, из которого состоят строительные блоки жизни?» — сказал Стил.
Вид под микроскопом тонкого среза марсианского метеорита Нахла. Трещина (загар) и туннели (в прямоугольниках) по размеру и форме похожи на туннели, связанные с ДНК в земных породах.Однако неизвестно, как они были образованы; ДНК не обнаружено. (Изображение предоставлено Университетом штата Орегон)Ученые также обнаружили структуры, напоминающие окаменевшие нанобактерии, на метеорите Нахла, куске Марса, который приземлился в Египте. Они определили, что до трех четвертей органического материала, обнаруженного на метеорите, не могут быть результатом загрязнения Землей. Однако дальнейшее изучение сферической структуры, называемой яйцевидной, показало, что она, скорее всего, образовалась в результате иных процессов, чем жизнь.
«Рассмотрение возможных биотических сценариев происхождения яйцевидной структуры в Нахле в настоящее время не имеет каких-либо убедительных доказательств», — написали ученые в исследовании, опубликованном в журнале Astrobiology. «Поэтому, основываясь на имеющихся данных, которые мы получили о природе этой заметной овоидной структуры в Нахле, мы заключаем, что наиболее разумным объяснением ее происхождения является то, что она образовалась в результате абиотических [физических, а не биологических] процессов».
Третий метеорит, Шерготти, содержит признаки, указывающие на остатки биопленок и микробные сообщества.
«Биопленки служат основным доказательством существования бактериальных колоний на древней Земле», — заявили исследователи в тезисе конференции 1999 года. «Не исключено, что некоторые из кластеров микрофоссилийных элементов могут быть колониями, хотя такая интерпретация зависит от того, действительно ли отдельные элементы являются окаменевшими микробами».
Все эти образцы дают соблазнительные намеки на возможность существования жизни в ранней истории красной планеты. Но новое исследование поверхности может раскрыть еще больше понимания эволюции жизни на Марсе.
В поисках жизни
Зонды НАСА «Викинг» были первыми, кто успешно установил ступеньку на Марсе при посадке с двигателем. Посадочный модуль «Викинг-1» приземлился в июле 1976 года и не замолчал до ноября 1982 года. «Викинг-2» приземлился в сентябре 1976 года и продолжал работать до апреля 1980 года. Предоставлено: НАСА (Изображение предоставлено НАСА)Когда НАСА установило первый спускаемый аппарат. На поверхности Марса в ходе одного из проведенных экспериментов искались следы жизни. Хотя результаты Viking были признаны неубедительными, они открыли путь для других исследований окружающей среды планеты.[Исследование Марса: Лендеры и Роверы с 1971 года (Инфографика)]
Исследование Марса было приостановлено более чем на два десятилетия. Когда исследование планеты возобновилось, ученые сосредоточились больше на поисках пригодной для жизни среды, чем на поисках жизни, и, в частности, на поисках воды. Множество марсоходов, орбитальных аппаратов и десантных аппаратов выявили доказательства наличия воды под земной корой, горячих источников, которые считаются отличной потенциальной средой для развития жизни, и случайных редких осадков.Хотя марсоход Curiosity не является миссией по поиску жизни, есть надежда, что он сможет точно определить места, которые позже посетители могут исследовать и анализировать.
Будущая миссия на Марс может включать в себя возврат образцов, возвращающих куски марсианской коры на Землю для изучения. На Земле можно было бы проводить больше экспериментов вручную, чем с помощью удаленного робота-исследователя, и они были бы более управляемыми, чем метеориты, лежавшие на Земле.
«Марс 2020 соберет образцы для потенциального возвращения на Землю в будущем.Пришло время сообществу, занимающемуся анализом образцов, серьезно отнестись к определению и расстановке приоритетов в науке о марсианских образцах, а также к оказанию помощи в обосновании будущих миссий, которые позволят доставить эти образцы домой », — Дэвид Бити, соруководитель Совета по науке о возвращенных образцах НАСА. и главный научный сотрудник Управления исследования Марса Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА в Пасадене, штат Калифорния, заявил на семинаре в 2017 году. жизнь.Текущая международная политика накладывает тяжелое финансовое бремя, что делает исследование потенциально пригодных для обитания регионов Марса дополнительной проблемой.
«Суть в том, что тщательная очистка космического корабля, нацеленного на поиск жизни на месте в особом районе Марса, сегодня легко обойдется примерно в 500 миллионов долларов», — сказал SPACE.com по электронной почте Дирк Шульце-Макуч. Шульце-Макух, исследователь из Вашингтонского государственного университета, и его коллега Альберто Файрен из Корнельского университета написали статью-комментарий, опубликованную в журнале Nature Geoscience, в которой аргументируется необходимость менее строгих мер защиты Марса.
«С этой суммой денег вы можете полностью профинансировать миссию« Discovery-type »на Марс, подобную Pathfinder или InSight», — добавил он. «Поэтому, если бы мы сегодня ослабили озабоченность по поводу планетарной защиты в миссии, подобной Викингу, мы могли бы добавить еще одну малобюджетную миссию в космическую программу».
Мы марсиане?
Перенос материала с Марса на Землю и, предположительно, обратно снова вызвал некоторые споры о возможности заражения на раннем этапе истории жизни.Некоторые ученые утверждают, что метеорит с Земли мог попасть на Марс — или наоборот. Бушуют споры о том, будут ли крошечные организмы достаточно выносливыми, чтобы пережить путешествие в морозном, безвоздушном, наполненном радиацией вакууме и начать жизнь в своем новом доме.
Идея такого посева не ограничивается взаимодействием с Марсом. Некоторые предположили, что обломки извне Солнечной системы могут даже быть ответственны за нерест жизни на Земле. Но если говорить о Красной планете, возможно, однажды ученые найдут жизнь на Марсе — и это может быть близким родственником.
«Если мы найдем жизнь на другой планете, будет ли она действительно чужой или будет связана с нами? И если да, то породила ли она нас или мы ее породили?» Исследователь Дина Пазини из Кентского университета опрошена в заявлении. «Мы не можем ответить на эти вопросы прямо сейчас, но вопросы не так надуманы, как можно было бы предположить».
Подписывайтесь на Нолу Тейлор Редд в @NolaTRedd, Facebook или Google+. Следуйте за нами в @Spacedotcom, Facebook или Google+.
Жилых условий | Национальное географическое общество
1.Вовлеките учащихся в обсуждение условий, необходимых для жизни.
Представьте идею о том, что на Земле существует множество живых существ, которые живут в самых разных средах — от организмов, обитающих в горячих источниках, до организмов, обитающих во льдах Антарктики. Спросите:
- Какие условия необходимы для существования жизни на планете? (Ученые считают, что жидкая вода необходима для жизни. Они также думают, что на обитаемой планете должна быть атмосфера.)
- Считаете ли вы, что планета должна быть точно такой же, как Земля, чтобы поддерживать жизнь? (Ответы учащихся будут разными. Учащиеся должны осознавать, что на Земле существует множество условий, в которых есть жизнь, поэтому могут быть планеты, которые сильно отличаются от Земли, на которых все еще есть некоторые пригодные для жизни районы. Люди не выжили бы на дне океан, но есть много организмов, которые процветают там. Некоторые организмы используют соединения серы для дыхания вместо кислорода; люди бы умерли без кислорода.)
Скажите студентам, что ученые ищут определенные характеристики планет, чтобы оценить их потенциальную пригодность для жизни.
2. Обсудите роль неопределенности в научном процессе.
Познакомить студентов с понятием неопределенности в научном процессе. Объясните, что наука — это процесс изучения того, как устроен мир, и что ученые не знают «правильных» ответов, когда начинают исследовать вопрос.Скажите студентам, что они могут видеть примеры неуверенности ученых в определении того, показывают ли данные, собранные с помощью телескопов, присутствие планет.
Покажите график кандидатов на планету Кеплер из архива экзопланет НАСА. Скажите студентам, что красные точки указывают на потенциальные планеты, обнаруженные телескопом Кеплера, а синие точки указывают на планеты, обнаруженные телескопом Кеплера и подтвержденные другими способами. Спросите:
- Как вы думаете, почему красных точек больше, чем синих (потенциальных планет больше, чем подтвержденных)? (Телескоп может обнаружить планеты, которых там нет.Технология может быть недостаточно хороша, чтобы отличить планету от какого-либо другого явления.)
- Почему ученым нужно самостоятельно подтверждать наличие планет? (Ученые должны проверить точность предсказаний телескопа о планете. Если телескоп показывает планету, а ученые подтверждают, что это планета, тогда ученые могут потратить больше времени, пытаясь узнать о планете.)
Сообщите учащимся, что им будут задавать вопросы о достоверности их прогнозов и что им следует подумать о том, какие научные и основанные на моделях данные доступны, когда они оценивают свою уверенность своими ответами.Поощряйте студентов обсуждать научные данные друг с другом, чтобы лучше оценить уровень своей уверенности в своих прогнозах.
3. Представьте и обсудите использование вычислительных моделей.
Объясните концепцию вычислительных моделей и приведите учащимся пример вычислительной модели, которую они, возможно, видели, например прогноз погоды. Спроектируйте модель прогноза погоды NOAA, которая представляет собой хороший пример вычислительной модели.Скажите студентам, что ученые используют модели планет для предсказания движения и видимой яркости звезд, если планеты присутствуют, и для предсказания обитаемости планет. Объясните, что существует много разных типов моделей и что в этом упражнении они будут использовать простые модели движения планет.
4. Предложите учащимся запустить интерактивный документ «Условия жизни».
Предоставьте учащимся ссылку на интерактивные условия обитания. Разделите учащихся на группы по два или три человека, при этом две группы являются идеальной группой, позволяющей учащимся совместно использовать компьютерные рабочие станции.Скажите студентам, что они будут прорабатывать серию страниц данных с вопросами, связанными с данными. Попросите студентов поработать над заданием в своих группах, обсуждая вопросы и отвечая на них по ходу дела.
ПРИМЕЧАНИЕ. Вы можете получить доступ к ключу ответа на вопросы учащихся и сохранить данные учащихся для онлайн-оценок через бесплатную регистрацию на странице портала High-Adventure Science.
Скажите студентам, что это Задание 5 из Есть ли жизнь в космосе? урок.
5. Обсудите проблемы.
После того, как учащиеся завершат задание, соберите группы вместе и проведите обсуждение, сосредоточив внимание на следующих вопросах:
- Почему обитаемая зона меняется вокруг звезд разных типов? (Обитаемая зона, примерно определяемая как область, где жидкая вода может существовать на поверхности планеты, различается вокруг звезд разных типов, потому что разные звезды имеют разную температуру.Вокруг прохладной звезды обитаемая зона будет ближе к звезде. Вокруг горячей звезды обитаемая зона будет дальше от звезды.)
- Покажите модель на странице 4 упражнения.
Согласно этой модели, какие характеристики делают планету пригодной для жизни? (Планета должна быть каменистой, вращаться полностью в зоне жидкой воды и вращаться вокруг звезды класса M, K, G или F.)
- Считаете ли вы, что планете необходимо полностью вращаться по орбите в зоне возможности жидкой воды, чтобы иметь возможность иметь жизнь? (Ответы учащихся могут отличаться.Студенты должны отметить, что зона возможности жидкой воды означает, что вода может быть жидкой на поверхности планеты. Под поверхностью все еще может быть жидкая вода, которая может поддерживать живые существа. В этом случае, с жидкой водой под поверхностью, жизнь могла бы существовать на планете, которая вращается по орбите в зоне возможной жидкой воды.)
Как первая жизнь на Земле пережила самую большую угрозу — воду
18 февраля следующего года космический корабль НАСА пролетит сквозь марсианскую атмосферу, запустит свои ретро-ракеты, чтобы остановить его падение, а затем спустит на поверхность шестиколесный вездеход под названием Perseverance.Если все пойдет по плану, миссия приземлится в кратере Джезеро, разломе шириной 45 километров недалеко от экватора планеты, в котором когда-то могло находиться озеро с жидкой водой.
Среди толпы землян, приветствующих Настойчивость, Джон Сазерленд будет уделять особенно пристальное внимание. Сазерленд, биохимик из лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания, был одним из ученых, которые лоббировали НАСА посетить кратер Джезеро, потому что это соответствует его представлениям о том, где могла возникнуть жизнь — на Марсе и на Земле.
Выбор места посадки отражает сдвиг в представлениях о химических этапах, которые превратили несколько молекул в первые биологические клетки. Хотя многие ученые давно предполагают, что эти новаторские клетки возникли в океане, недавние исследования показывают, что ключевые молекулы жизни и ее основные процессы могут формироваться только в таких местах, как Джезеро — относительно неглубокий водоем, питаемый ручьями.
Это связано с тем, что несколько исследований показывают, что основные химические вещества жизни требуют для образования ультрафиолетового излучения солнечного света и что водная среда должна становиться высококонцентрированной или даже полностью высыхать.В лабораторных экспериментах Сазерленд и другие ученые получили ДНК, белки и другие основные компоненты клеток, осторожно нагревая простые химические вещества на основе углерода, подвергая их УФ-излучению и периодически высушивая. Химики еще не смогли синтезировать такой широкий спектр биологических молекул в условиях, имитирующих морскую воду.
Появляющиеся доказательства заставили многих исследователей отказаться от идеи о зарождении жизни в океанах и вместо этого сосредоточить внимание на суше, в местах, которые были то влажными, то сухими.Этот сдвиг вряд ли можно назвать единодушным, но ученые, поддерживающие идею земного начала, говорят, что он предлагает решение давно признанного парадокса: хотя вода необходима для жизни, она также разрушительна для основных компонентов жизни.
Поверхностные озера и лужи очень многообещающие, говорит Дэвид Кэтлинг, планетолог из Вашингтонского университета в Сиэтле. «За последние 15 лет проделана большая работа в поддержку этого направления».
Первобытный супХотя стандартного определения жизни не существует, большинство исследователей сходятся во мнении, что для этого необходимо несколько компонентов.Один из них — это молекулы, несущие информацию — ДНК, РНК или что-то еще. Должен был существовать способ скопировать эти молекулярные инструкции, хотя этот процесс был бы несовершенным, чтобы допустить ошибки, семена эволюционных изменений. Кроме того, первые организмы должны были иметь способ питаться и поддерживать себя, возможно, с помощью ферментов на основе белков. Наконец, что-то скрепляло эти разрозненные части вместе, отделяя их от окружающей среды.
Когда в 1950-х годах начались всерьез лабораторные исследования происхождения жизни, многие исследователи предположили, что жизнь зародилась в море, с богатой смесью углеродных химикатов, получивших название «изначальный суп».
Эта идея была независимо предложена в 1920-х годах биохимиком Александром Опариным в тогдашнем Советском Союзе и генетиком Дж. Б. С. Холдейном в Соединенном Королевстве. Каждый представлял молодую Землю как огромную химическую фабрику с множеством углеродных химикатов, растворенных в водах первых океанов. Опарин рассуждал, что образуются все более сложные частицы, кульминацией которых являются углеводы и белки: то, что он назвал «основой жизни».
В 1953 году молодой исследователь по имени Стэнли Миллер из Чикагского университета в Иллинойсе описал теперь известный эксперимент, который, как считалось, подтвердил эти идеи 1 .Он использовал стеклянную колбу с водой, чтобы имитировать океан, и другую колбу, содержащую метан, аммиак и водород, чтобы имитировать раннюю атмосферу. Трубки соединяли колбы, а электрод имитировал молнию. Несколько дней нагревания и поражения электрическим током было достаточно, чтобы образовался глицин, простейшая аминокислота и важный компонент белков. Это подсказало многим исследователям, что жизнь возникла у поверхности океана.
В экспериментах 1950-х годов Стэнли Миллер создал аминокислоты из простых строительных блоков.Предоставлено: Bettmann / Getty
.Но многие современные ученые говорят, что у этой идеи есть фундаментальная проблема: молекулы краеугольного камня жизни распадаются в воде. Это связано с тем, что белки и нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК, уязвимы в своих суставах. Белки состоят из цепочек аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из цепочек нуклеотидов. Если цепи помещены в воду, она атакует звенья и в конечном итоге их ломает. В химии углерода «вода — враг, который следует исключать как можно строже», — писал покойный биохимик Роберт Шапиро в своей тотемной книге 1986 года Origins , в которой критиковалась гипотеза первобытного океана 2 .
Это водный парадокс. Сегодня клетки решают эту проблему, ограничивая свободное движение воды в их внутренностях, говорит биолог-синтетик Кейт Адамала из Университета Миннесоты в Миннеаполисе. По этой причине популярные изображения цитоплазмы — вещества внутри клетки — часто ошибочны. «Нас учат, что цитоплазма — это просто мешок, в котором все держится, и все вокруг плавает», — добавляет она. «Это неправда, все невероятно скаффинировано в клетках, и это скаффинировано в геле, а не в мешке с водой.
Если живые существа контролируют воду, то последствия, по мнению многих исследователей, очевидны. Вероятно, жизнь сформировалась на суше, где вода присутствовала лишь периодически.
Сухопутный стартНекоторые из ключевых доказательств в пользу этой идеи появились в 2009 году, когда Сазерленд объявил, что он и его команда успешно создали два из четырех нуклеотидов, составляющих РНК 3 . Они начали с фосфата и четырех простых углеродных химикатов, включая цианидную соль, называемую цианамидом.Химические вещества были растворены в воде повсюду, но они были высококонцентрированными, и для критических шагов требовалось УФ-излучение. По его словам, такие реакции не могут происходить глубоко в океане — только в небольшом бассейне или ручье, подверженном воздействию солнечного света, где могут быть сконцентрированы химические вещества.
Команда Сазерленда с тех пор показала, что одни и те же исходные химические вещества, если к ним относиться несколько иначе, могут также производить прекурсоры белков и липидов 4 . Исследователи предполагают, что эти реакции могли иметь место, если вода, содержащая соли цианида, была высушена Солнцем, оставив слой сухих, связанных с цианидом химических веществ, который затем нагрелся, скажем, из-за геотермальной активности.В прошлом году его команда произвела строительные блоки ДНК — что ранее считалось невероятным — используя энергию солнечного света и некоторые из тех же химических веществ в высоких концентрациях 5 .
Этот подход был расширен биохимиком Мораном Френкель-Пинтер из Центра химической эволюции NSF – NASA в Атланте, штат Джорджия, и ее коллегами. В прошлом году они показали, что аминокислоты спонтанно соединяются, образуя протеиноподобные цепи, если они высыхают. 6 .И такая реакция была более вероятна с 20 аминокислотами, обнаруженными в белках сегодня, по сравнению с другими аминокислотами. Это означает, что периодическая сушка может помочь объяснить, почему жизнь использует только эти аминокислоты из сотен возможных. «Мы увидели отбор на сегодняшние аминокислоты», — говорит Френкель-Пинтер.
Влажный и сухойПериодическое высыхание также может помочь заставить эти молекулярные строительные блоки собираться в более сложные, похожие на жизнь структуры.
Классический эксперимент в этом направлении был опубликован в 1982 году исследователями Дэвидом Димером и Гейл Барчфельд, работавшими затем в Калифорнийском университете, Дэвис 7 . Их цель состояла в том, чтобы изучить, как липиды, другой класс длинноцепочечных молекул, самоорганизуются с образованием мембран, окружающих клетки. Сначала они создали пузырьки: сферические капли с водянистой сердцевиной, окруженные двумя липидными слоями. Затем исследователи высушили везикулы, и липиды реорганизовались в многослойную структуру, похожую на стопку блинов.Нити ДНК, ранее плавающие в воде, оказались зажаты между слоями. Когда исследователи снова добавили воду, везикулы преобразовались — с ДНК внутри них. Это был шаг к простой камере.
Один из сценариев происхождения жизни предполагает, что она зародилась вокруг отверстий на морском дне, извергающих горячие щелочные воды, таких как образование «Затерянный город» в Атлантическом океане Фото: любезно предоставлено Д. Келли и М. Элендом / Университет г. Вашингтон
«Эти циклы« влажный – сухой »есть повсюду», — говорит Димер, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Санта-Круз.«Это так же просто, как дождевая вода, испаряющаяся на мокрых камнях». Но когда они применяются к биологическим химическим веществам, таким как липиды, по его словам, происходят замечательные вещи.
В исследовании 2008 года Димер и его команда смешали нуклеотиды и липиды с водой, а затем подвергли их циклам «влажный-сухой». Когда липиды образовывали слои, нуклеотиды соединялись в РНК-подобные цепи — реакция, которая не могла бы произойти в воде без посторонней помощи 8 .
Другие исследования указывают на другой фактор, который, кажется, является ключевой частью происхождения жизни: свет.Это один из выводов команды синтетического биолога Джека Шостака из Массачусетской больницы общего профиля в Бостоне, которая работает с «протоклетками» — простыми версиями клеток, которые содержат небольшое количество химических веществ, но могут расти, конкурировать и воспроизводиться сами. Протоклетки демонстрируют более реалистичное поведение, если они находятся в условиях, аналогичных условиям на суше. Одно исследование, в котором Адамала был соавтором, обнаружило, что протоклетки могут использовать энергию света для деления в простой форме воспроизведения 9 .Точно так же Клаудиа Бонфио, которая сейчас также работает в лаборатории молекулярной биологии MRC, и ее коллеги показали в 2017 году, что УФ-излучение стимулирует синтез кластеров железо-сера 10 , которые имеют решающее значение для многих белков. К ним относятся те, которые находятся в цепи переноса электронов, которая помогает питать все живые клетки, стимулируя синтез молекулы хранения энергии АТФ. Кластеры железо-сера распадались бы на части, если бы их подвергали воздействию воды, но команда Бонфио обнаружила, что они были более стабильными, если бы кластеры были окружены простыми пептидами длиной 3–12 аминокислот.
Вода, но не слишком многоТакие исследования дали толчок идее о том, что жизнь зародилась на хорошо освещенной поверхности с ограниченным количеством воды. Однако до сих пор ведутся споры о том, сколько воды было задействовано и какую роль она сыграла в зарождении жизни.
Как и Димер, Френкель-Пинтер утверждает, что циклы «влажный – сухой» имели решающее значение. По ее словам, сухие условия предоставили возможность для образования цепных молекул, таких как белки и РНК.
Но просто создание РНК и других молекул — это не жизнь.Должна сформироваться самоподдерживающаяся динамическая система. Френкель-Пинтер предполагает, что разрушительная сила воды могла способствовать этому. Подобно тому, как животные-жертвы эволюционировали, чтобы бегать быстрее или выделять токсины, чтобы выжить от хищников, первые биологические молекулы могли развиться, чтобы справляться с химическими атаками воды — и даже навсегда использовать ее реактивность.
В исследовании, проведенном на горячих источниках Hell’s Gate недалеко от Роторуа, Новая Зеландия, образцы из гидротермальных бассейнов прошли циклы сушки и повторного увлажнения, что способствовало химическим реакциям, приводящим к образованию РНК-подобных молекул.Кредит: Westend61 / Getty
.В этом году команда Френкель-Пинтер продолжила свое предыдущее исследование 6 , показавшее, что высыхание вызывает спонтанное связывание аминокислот. Команда обнаружила, что их протопротеины могут взаимодействовать с РНК, и оба они стали более стабильными в воде в результате 11 . Фактически, вода действовала как давление отбора: продолжались только те комбинации молекул, которые могли выжить в воде, потому что остальные были бы разрушены.
Идея состоит в том, что с каждым циклом смачивания более слабые молекулы или те, которые не могли защитить себя, связываясь с другими, разрушались.Бонфио и ее команда продемонстрировали это в исследовании 12 в этом году, в котором они пытались преобразовать простые жирные кислоты в более сложные липиды, напоминающие те, которые содержатся в современных клеточных мембранах. Исследователи создали смеси липидов и обнаружили, что простые из них разрушаются водой, а более крупные и сложные накапливаются. «В какой-то момент у вас будет достаточно этих липидов, чтобы они образовали мембраны», — говорит она. Другими словами, может быть количество воды Златовласки: не столько, чтобы биологические молекулы разрушались слишком быстро, но не настолько мало, чтобы ничего не изменилось.
Теплые водоемыГде все это могло произойти? По этому вопросу существует разделение поколений в этой области. Многие старшие исследователи придерживаются того или иного сценария, тогда как молодые исследователи часто утверждают, что вопрос широко открыт.
Открытый океан нежизнеспособен, говорит Френкель-Пинтер, потому что химические вещества не могут концентрироваться. «Это действительно проблема, — соглашается Бонфио.
Альтернативная морская идея отстаивалась с 1980-х годов геологом Майклом Расселом, независимым исследователем, ранее работавшим в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния.Рассел утверждает, что жизнь зародилась в отверстиях на морском дне, где теплая щелочная вода просачивается из геологических образований внизу. Взаимодействие между теплой водой и камнями дало бы химическую энергию, которая сначала запустила бы простые метаболические циклы, которые позже начнут производить и использовать химические вещества, такие как РНК.
Рассел критически относится к подходу Сазерленда. «Он занимается всей этой фантастической химией», — говорит он, но для Рассела все это не имеет отношения к делу. Это потому, что современные организмы используют совершенно другие химические процессы для создания таких веществ, как РНК.Он утверждает, что сначала должны были возникнуть эти процессы, а не сами вещества. «Жизнь подбирает очень специфические молекулы. Но вы не можете забрать их со скамейки запасных. Их нужно создавать с нуля, и этим занимается жизнь ».
Сазерленд считает, что как только РНК, белки и т. Д. Сформировались, эволюция взяла бы верх и позволила протоорганизмам найти новые способы создания этих молекул и, таким образом, поддерживать себя.
Между тем, многие исследователи скептически относятся к гипотезе Рассела о щелочной вентиляции, утверждая, что ей не хватает экспериментальной поддержки.
Напротив, химические эксперименты, моделирующие поверхностные условия, позволили создать строительные блоки из нуклеиновых кислот, белков и липидов. «Ничего подобного не существует в гипотезе глубоководных гидротермальных источников. Этого просто не было сделано, и, возможно, потому, что это невозможно сделать », — говорит Кэтлинг.
Френкель-Пинтер также критически относится к идее вентиляции, потому что молекулы, с которыми она работает, в таких условиях долго не выживают. «Образование этих протопептидов не очень совместимо с гидротермальными жерлами», — говорит Френкель-Пинтер.
Возможное решение было предложено в мае геохимиком Мартиной Прейнер, доктором Университета Дюссельдорфа в Германии, и ее коллегами. Она утверждает, что в породах под гидротермальными жерлами тепло и химические реакции связывают молекулы воды или разрушают их, создавая сухие пространства 13 . «Взаимодействие породы и воды в определенной степени позволяет избавиться от воды», — говорит она. Время от времени в воду просачивалось больше морской воды, создавая «что-то вроде чередования мокрых и сухих вод».Это должно сделать глубоководные породы более подходящими для образования ключевых молекул, утверждает Прейнер, хотя она признает, что это все еще гипотеза. «Конечно, вам все равно придется провести соответствующие эксперименты, чтобы доказать, что это может вызывать определенные реакции».
Однако в настоящее время таких доказательств не существует. Между тем, экспериментальная поддержка идеи о том, что жизнь зародилась в небольших водоемах на суше, растет.
Сазерленд предпочитает кратер от удара метеорита, нагретый Солнцем и остаточной энергией удара, с множественными потоками воды, стекающими по наклонным сторонам и, наконец, встречающимися в бассейне на дне.Это была бы сложная трехмерная среда с минеральными поверхностями, действующими как катализаторы, где химические вещества на основе углерода могли попеременно растворяться в воде и высыхать на Солнце. «Вы можете с некоторой степенью уверенности сказать, что нам нужно быть на поверхности, мы не можем находиться глубоко в океане или на 10 километров в земной коре», — говорит Сазерленд. «Тогда нам нужен фосфат, нам нужно железо. Многие из этих вещей очень легко доставляются железно-никелевыми метеоритами ». Сценарий удара имеет еще одно преимущество: удары метеорита сотрясают атмосферу с образованием цианида, говорит Сазерленд.
Димер давно выступает за другое предложение: вулканические горячие источники. В исследовании, проведенном в этом году, он и его коллега Брюс Дамер утверждали, что липиды образовывали протоклетки в горячей воде 14 , как показали его более ранние эксперименты. Циклы влажного и сухого на краях пулов должны были стимулировать образование и копирование нуклеиновых кислот, таких как РНК.
Димер провел несколько экспериментов на современных вулканических горячих источниках, чтобы проверить свои идеи. В 2018 году его команда показала, что везикулы могут образовываться в воде горячего источника 15 и даже содержать нуклеиновые кислоты, но не образуются в морской воде.Последующее исследование, проведенное в прошлом году, показало, что при сушке полученных везикул нуклеотиды соединяются, образуя РНК-подобные цепи 16 .
Марсоход НАСА Perseverance будет искать признаки жизни в кратере Езеро на Марсе Фото: ESA / FU-Berlin
Чтобы сузить место, где зародилась жизнь, потребуется понимание более широкой картины химии пребиотиков: как многие реакции сочетаются друг с другом и в каких условиях они протекают. Эту грандиозную задачу предприняла группа во главе с химиком Сарой Шимкуч, президентом новой фирмы Allchemy в Хайленде, штат Индиана.В сентябре команда опубликовала всестороннее исследование, в котором использовался компьютерный алгоритм для изучения того, как обширная сеть известных пребиотических реакций могла произвести многие из биологических молекул, используемых сегодня в жизни 17 .
Сеть была очень избыточной, поэтому ключевые биологические соединения могли образовываться, даже если несколько реакций были заблокированы. По этой причине Шимкуч утверждает, что еще слишком рано исключать какой-либо из сценариев возникновения жизни. Это потребует систематического тестирования ряда различных сред, чтобы увидеть, какие реакции и где происходят.
Beyond EarthЕсли эксперименты, подобные эксперименту Сазерленда, действительно указывают путь к тому, как зародилась жизнь на Земле, они также могут помочь исследовать, где жизнь могла зародиться в другом месте космоса.
Марс привлек наибольшее внимание, потому что есть явные свидетельства того, что когда-то на его поверхности была жидкая вода. Место посадки марсохода НАСА «Персеверанс», кратер Джезеро, было выбрано отчасти потому, что он, кажется, когда-то был озером — и мог вместить химические вещества, изученные Сазерлендом.Он помог написать презентацию для НАСА в 2018 году под руководством Кэтлинга, в которой резюмированы результаты химии пребиотиков и даны рекомендации относительно того, где следует искать Perseverance. «Мы представили эту химию и сказали, что этот кратер Джезеро, который они в конечном итоге выбрали, является тем местом, где существует наибольшая вероятность того, что эта химия разыграется», — говорит Сазерленд.
Пройдет два месяца до того, как «Персеверанс» достигнет Марса — и за годы до того, как собранные им образцы будут возвращены на Землю в ходе еще не названной будущей миссии.Итак, нам предстоит еще долгое ожидание, прежде чем мы узнаем, есть ли на Марсе жизнь или она существовала миллиарды лет назад. Но даже если бы этого не произошло, это могло бы выявить следы пребиотической химии.
В лучшем случае, говорит Кэтлинг, «Персеверанс» находит сложные молекулы на основе углерода в слоях марсианских отложений, таких как липиды или белки, или их разложившиеся остатки. Он также надеется на доказательства циклов «влажный – сухой». Это может происходить в виде карбонатных слоев, которые образовывались, когда озеро высыхало и наполнялось много раз.Он подозревает, что «жизнь на Марсе не зашла особенно далеко», потому что мы не видели никаких явных ее признаков, таких как чистые окаменелости или богатые углеродом черные сланцы. «То, что мы ищем, довольно просто, может быть, даже до степени пребиотика, а не самих клеток».
Возможно, Марс сделал только несколько первых химических шагов к жизни, а не до конца. В этом случае мы можем найти окаменелости — не жизни, а еще до жизни.
На некоторых планетах может быть жизнь лучше, чем на Земле | WSU Insider
Изображение художника первой подтвержденной планеты размером с Землю, вращающейся вокруг далекой звезды в обитаемой зоне, идентифицированной космическим телескопом НАСА Кеплер.Исследователи предполагают, что телескопы будущего будут искать планеты, которые лучше подходят для жизни, чем Земля. Изображение предоставлено: NASA Ames / SETI Institute / JPL-CaltechСара Заске, WSU News
ПУЛЛМАН, Вашингтон — Земля не обязательно лучшая планета во Вселенной. Исследователи определили две дюжины планет за пределами нашей Солнечной системы, на которых могут быть условия, более подходящие для жизни, чем наши собственные. Некоторые из этих звезд на орбите, возможно, даже лучше нашего Солнца.
Исследование, проведенное ученым из Университета штата Вашингтон Дирком Шульце-Макухом, недавно опубликованным в журнале Astrobiology, детализирует характеристики потенциальных «сверхобитаемых» планет, которые включают в себя те, которые старше, немного больше, немного теплее и, возможно, более влажные, чем Земля.Жизнь также могла бы легче развиваться на планетах, которые вращаются вокруг более медленно меняющихся звезд с большей продолжительностью жизни, чем наше Солнце.
Все 24 главных претендента на сверхобитаемые планеты находятся на расстоянии более 100 световых лет от нас, но Шульце-Макух сказал, что исследование может помочь сфокусировать будущие усилия по наблюдению, например, с космического телескопа Джеймса Веба НАСА, космической обсерватории LUVIOR и платформы PLATO Европейского космического агентства. космический телескоп.
«С появлением следующих космических телескопов мы получим больше информации, поэтому важно выбрать некоторые цели», — сказал Шульце-Макух, профессор WSU и Технического университета в Берлине.«Мы должны сосредоточиться на определенных планетах, на которых есть наиболее многообещающие условия для сложной жизни. Однако мы должны быть осторожны, чтобы не застрять в поисках второй Земли, потому что могут быть планеты, которые могут быть более подходящими для жизни, чем наша ».
Dirk Schulze-MakuchДля исследования Шульце-Макух, геобиолог, специализирующийся на планетной обитаемости, объединился с астрономами Рене Хеллером из Института исследований солнечной системы им. Макса Планка и Эдвардом Гинаном из Университета Вилланова для определения критериев сверхжитости и поиска среди 4500 известных экзопланет за пределами нашей Солнечной системы в качестве хороших кандидатов.Пригодность для проживания не означает, что на этих планетах определенно есть жизнь, это просто условия, которые способствовали бы жизни.
Исследователи выбрали планетно-звездные системы с вероятными планетами земной группы, вращающимися в пределах обитаемой жидкой водной зоны звезды-хозяина, из архива транзитных экзопланет из архива экзопланет объекта интереса Кеплера.
Хотя Солнце является центром нашей солнечной системы, у него относительно короткая продолжительность жизни — менее 10 миллиардов лет. Поскольку на появление на Земле любой формы сложной жизни потребовалось почти 4 миллиарда лет, у многих звезд, похожих на наше Солнце, называемых G-звездами, могло закончиться топливо, прежде чем сложная жизнь могла развиться.
В дополнение к изучению систем с более холодными G-звездами, исследователи также рассмотрели системы с K-карликами, которые несколько холоднее, менее массивны и менее ярки, чем наше Солнце. K-звезды имеют преимущество в продолжительности жизни от 20 до 70 миллиардов лет. Это позволит планетам, вращающимся вокруг орбиты, стать старше, а также даст жизни больше времени для развития до той сложности, которая в настоящее время наблюдается на Земле. Однако, чтобы быть обитаемыми, планеты не должны быть настолько старыми, чтобы исчерпать свое геотермальное тепло и не иметь защитных геомагнитных полей.Земле около 4,5 миллиардов лет, но исследователи утверждают, что оптимальным местом для жизни является планета, возраст которой составляет от 5 до 8 миллиардов лет.
Размер и масса тоже имеют значение. Планета, которая на 10% больше Земли, должна иметь более пригодную для жизни землю. Можно ожидать, что тот, который примерно в 1,5 раза больше массы Земли, дольше сохранит внутреннее нагревание за счет радиоактивного распада, а также будет иметь более сильную гравитацию, чтобы удерживать атмосферу в течение более длительного периода времени.
Вода — ключ к жизни, и авторы утверждают, что немного больше ее поможет, особенно в виде влаги, облаков и влажности.Немного более высокая температура, средняя температура поверхности примерно на 5 градусов по Цельсию (или примерно на 8 градусов по Фаренгейту) выше, чем на Земле, вместе с дополнительной влажностью также были бы лучше для жизни. Это предпочтение тепла и влаги наблюдается на Земле с большим биоразнообразием тропических дождевых лесов, чем в более холодных и засушливых районах.
Среди 24 кандидатов на высшие планеты ни один из них не отвечает всем критериям сверхобитаемых планет, но одна имеет четыре критических характеристики, что делает ее, возможно, намного более комфортной для жизни, чем наша родная планета.
«Иногда трудно передать этот принцип сверхобитаемых планет, потому что мы думаем, что у нас лучшая планета», — сказал Шульце-Макух. «У нас есть множество сложных и разнообразных форм жизни, многие из которых могут выжить в экстремальных условиях. Хорошо иметь адаптируемую жизнь, но это не значит, что у нас есть все самое лучшее ».
Контакты для СМИ:
- Дирк Шульце-Макух, Школа окружающей среды, Университет штата Вашингтон и Технический университет, Берлин + 49‑30‑314‑23736, dirksm @ wsu.edu
- Сара Заске, WSU News and Media Relations, 509-335-4846, [email protected]
Обучение основному принципу 3: Жизнь на Земле зависит от климата, формируется им и влияет на него.
Жизнь на Земле зависит от климата, формируется им и влияет на него.
Резюме
Суть этого принципа заключается в том, что жизнь влияет на климатическую систему, и, в свою очередь, климат диктует, где и как виды могут выжить. Жизнь влияет на состав атмосферы и, следовательно, на климат, потому что разные формы жизни поглощают и выделяют газы, такие как углекислый газ, метан и кислород, с разной скоростью.Климатические условия помогают формировать различные экосистемы и среды обитания по всему миру. Определенный климат может быть благом для одного вида и опустошением для другого. На изменение климата виды и экосистемы реагируют адаптацией, миграцией или сокращением своей популяции. К постепенным изменениям климата легче приспособиться, чем к резким колебаниям, и это, безусловно, верно как для людей, так и для других видов. Исследования климатической истории Земли показывают, что в прошлом климат менялся, что привело к резким изменениям в экосистемах.Однако последний геологический период, голоцен (около 10 000 лет назад), был необычайно стабильным.
Обучение этому принципу поддерживается пятью ключевыми концепциями.
Щелкните здесь, чтобы увидеть их все.
- Отдельные организмы выживают в определенных диапазонах температуры, осадков, влажности и солнечного света. Организмы, подвергающиеся воздействию климатических условий за пределами их нормального ареала, должны адаптироваться или мигрировать, иначе они погибнут.
- Присутствие небольших количеств удерживающих тепло парниковых газов в атмосфере нагревает поверхность Земли, в результате чего на планете появляется жидкая вода и жизнь.
- Изменения климатических условий могут повлиять на здоровье и функционирование экосистем, а также на выживание целых видов. Характер распределения окаменелостей свидетельствует как о постепенном, так и о внезапном исчезновении, связанном с изменением климата в прошлом.
- Ряд природных данных показывает, что последние 10 000 лет были необычно стабильным периодом в истории климата Земли. В это время развились современные человеческие общества. Сельскохозяйственные, экономические и транспортные системы, на которые мы полагаемся, будут уязвимы, если климат значительно изменится.
- Жизнь, включая микробы, растения, животных и людей, является основным двигателем глобального углеродного цикла и может влиять на глобальный климат, изменяя химический состав атмосферы. Геологические данные показывают, что жизнь значительно изменила атмосферу на протяжении истории Земли.
Спутниковый снимок дельты реки Ганг. Изображение с Земли как коллекция произведений искусства, любезно предоставлено Национальным центром геологической службы США по EROS и Научным отделом проекта NASA Landsat.
Почему эти темы важны?
Способ, которым Земля поддерживает жизнь, имеет жизненно важное значение на многих уровнях.
- На протяжении всей геологической истории жизнь влияла на климатическую систему и наоборот.
- Вымирание видов как в геологическом прошлом, так и в настоящее время может быть связано с изменениями климата.
- Распознавание прошлых климатических изменений является ключом к пониманию нынешних и будущих изменений климата.
- Изменения климата приведут к изменению экосистем. Невозможно предсказать конкретные последствия изменения климата для каждой из мировых экосистем.
- Хотя концентрации парниковых газов менялись на протяжении всей истории Земли, нет естественного аналога сегодняшнему быстрому увеличению выбросов парниковых газов, созданных человеком.
Что делает преподавание этих тем сложным?
Этот принцип связан с пониманием различных научных дисциплин. Понимание обратной связи между климатом и жизнью на Земле требует понимания биохимических процессов, таких как фотосинтез, а также фундаментальных наук о климате (например,парниковый эффект). Студенты могут спутать естественный парниковый эффект, который делает возможной жизнь на Земле, с усилением эффекта за счет выбросов парниковых газов от сжигания ископаемого топлива (McCaffrey & Buhr, 2008). Студентам может показаться нелогичным, что растения получают свою массу из углерода в воздухе посредством фотосинтеза (исследование частной вселенной), который является одной из ключевых концепций углеродного цикла.
Учение об ограниченной способности организмов адаптироваться к изменению климата (напр.массовые вымирания в геологическом прошлом) не должны приводить к мрачным сценариям. Вместо этого это может привести к пониманию того, что люди несут ответственность за стабилизацию естественных климатических условий, чтобы сохранить среду, в которой процветают люди и окружающие экосистемы.
При обучении петлям обратной связи между климатом и жизнью и последствиям изменения климата следует подчеркивать различия между естественными и антропогенными изменениями. Вполне вероятно, что возникнут такие вопросы, как: все ли естественные изменения хороши? Все ли антропогенные эффекты плохи? Является ли наш нынешний климат «правильным»? Важно подчеркнуть, что недавнее увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере является беспрецедентным в геологическом прошлом, и сформировать у студентов понимание управления планетой.
Как я могу использовать этот принцип в своем обучении?
Большинство идей, выделенных в этом принципе, являются частью учебной программы по естествознанию, но объединяют концепции, ранее представленные в физических науках, географии и других дисциплинах. Ключевые идеи этого принципа основаны на понимании углеродного цикла для понимания взаимосвязи между климатическими циклами, такими как времена года, и биологическими системами. Возможные темы для обучения пониманию этого принципа:
- Ежегодные сезонные миграции видов.
- Эффект «озеленения» весны в северном полушарии и результирующая колебательная картина атмосферных концентраций CO 2 , как показано в Упражнении по двуокиси углерода
- События десятилетнего масштаба, такие как нашествия насекомых, сукцессия лесов или засуха.
- 100 000-летний цикл ледниковых периодов, роль CO 2 в усилении колебаний температуры и реакция биологических систем на эти резкие изменения климата.
- Периодические события массового вымирания, которые прерывают геологическую летопись и, вероятно, связаны с климатическими изменениями.
Еще один подход, который может заинтересовать старшеклассников, — это тонкая взаимосвязь между жизнью и климатом. Многие студенты будут удивлены, узнав о прошлых событиях массового вымирания и других резких колебаниях баланса биосферы. Это ключевое место для обсуждения роли человека в изменении окружающей среды и климата.
- Учащиеся средней школы во многих частях мира могут наблюдать сезонный процесс «зеленого роста» и «зеленого спада» и участвовать в гражданских научных программах, поощряющих сезонные наблюдения за перелетными птицами или бабочками или за распусканием почек.См., Например, «Цветущие термометры». Студенты также могут узнать о влиянии изменения климата на экосистемы и среды обитания животных, например, в «Изменение климата и арктические экосистемы».
- В средней школе учащиеся могут узнать о глобальном углеродном цикле. Эта тема затрагивает множество различных процессов, таких как фотосинтез, образование ископаемого топлива и роль углекислого газа в поддержании тепла на Земле, необходимого для поддержания жизни. Глобальные закономерности в активности «зеленой» и «зеленой» активности иллюстрируют глобальный углеродный цикл.
- В вводной программе бакалавриата студенты могут использовать подход земных систем, чтобы узнать, как Земля работает в нескольких «сферах». Эволюция атмосферы и ее связь с ранним периодом жизни — подходящая тема, как и групповые проекты, такие как «Понимание углеродного цикла: подход головоломки».
- Студенты старших классов колледжей могут изучить взаимосвязь между климатом и жизнью в различных условиях. Например, как древние люди адаптировались к ледниковым периодам? Как возмущения климата выражаются в различных косвенных данных о климате? Какие типы адаптации, миграции или миграции населения уже наблюдаются из-за нашего потепления климата?
Кредит: CLEAN
.