Долгое время ученые высказывали мнение, что без жизни на Земле наша планета была бы настолько иной, что ее было бы сложно узнать, как на ее поверхности, так и при наблюдении из космоса. Этот вопрос имеет большое значение для астрономов, поскольку он определяет, насколько чувствительными должны быть телескопы, чтобы различить потенциально пригодную для жизни планету и планету, на которой жизнь действительно существует. В новой научной работе авторы предприняли попытку прояснить этот вопрос.
Многие явления, наблюдаемые нами сегодня, стали бы невозможны без возникновения жизни на Земле примерно четыре миллиарда лет назад. Предполагается, что небо было покрыто оранжевой дымкой, образованной продуктами химических реакций, связанных с атмосферным метаном. Атмосферное давление не превышало половину от нынешнего. Однако длительная работа живых организмов позволила сначала резко понизить концентрацию метана в атмосфере, а затем и поднять количество азота в атмосфере, увеличив давление до современного.
Эти обстоятельства порождают значительные сомнения у астрономов. Возникает вопрос: будет ли наблюдаемая картина отличаться при изучении других экзопланет — например, для планеты, схожей с Землей, но лишенной жизни, и для такой же планеты, на которой жизнь уже возникла? Некоторые ученые даже высказывали предположение, что если бы жизнь на Земле не появилась, то она не смогла бы возникнуть даже потенциально в нынешних условиях. По их мнению, условия, необходимые для поддержания жизни, поддерживаются ею же – благодаря деятельности разнообразных микроорганизмов. Подобные точки зрения нередко именуют «гипотезой Гайи»: в этом подходе планета представляется как целостная система, в которой жизнедеятельность поддерживает стабильность параметров окружающей среды, что имеет ключевое значение для ее долгосрочного сохранения.
Авторы новой работы представили текст, который они выложили на сайте препринтов Корнеллского университета, попробовали ответить на этот вопрос, моделируя изменения 19 ключевых факторов, типичных для доиндустриальной Земли и принципиально наблюдаемых из других звездных систем. Затем они рассчитали, будет ли это заметно на спектре отражаемого планетой излучения, то есть смогут ли астрономы по спектрам выявить различия между планетой с жизнью и такой же, но без когда-то возникшей жизни.
В конечном итоге исследователи сделали весьма неожиданный вывод: для поддержания подходящих для жизни условий на планете, подобной нашей, существование живых организмов не является обязательным фактором. Из девяти ключевых признаков, которые они выделили, лишь один значительно отличался для планеты, лишённой жизни – наличие кислорода в атмосфере, который в отсутствие фотосинтеза не должен там присутствовать. По спектральным характеристикам экзопланет, наличие или отсутствие кислорода, вероятно, удастся различить уже с помощью телескопов, которые будут доступны к 2040-м годам.
Оставшиеся параметры в расчетах, выполненных авторами, продемонстрировали неожиданную стабильность. За 4,5 миллиарда лет моделирования они претерпели незначительные изменения, поддерживая возможность существования жизни на смоделированной планете. На основании этого исследователи пришли к заключению, что общая концепция гипотезы Гайи не соответствует действительности. В качестве примеров несостоятельности они приводят такие явления, как современный морской планктон и вызванное деятельностью человека глобальное потепление. После гибели планктонные организмы уносят на дно океана необходимые вещества, которые не возвращаются, что нарушает экологическое равновесие морей и приводит к формированию в них обширных биологических пустынь.
Существенно меньшее количество биомассы в морях по сравнению с сушей объясняется, в том числе, тем, что океан занимает значительно большую территорию. По мнению исследователей, потепление климата также оказывает негативное воздействие на планету, хотя и вызвано живыми организмами, в частности, деятельностью человека. Оба этих случая, как утверждают ученые, демонстрируют, что жизнь в долгосрочной перспективе способна наносить ущерб собственному дальнейшему существованию.
В представленной работе сделано несколько предположений, которые могут поставить под сомнение ее заключения. Так, авторы исходили из того, что на первоначально лишенной жизни Земле равновесная температура должна составлять примерно ноль градусов Цельсия, что, однако, превышает порог, необходимый для формирования глобального оледенения. Тем не менее, климатолог Михаил Будыко еще пятьдесят лет назад, используя расчетный метод, продемонстрировал, что наличие суши вблизи экватора и снижение температуры до среднего значения в шесть градусов Цельсия способно вызвать глобальное оледенение. При этом геологические данные свидетельствуют об отсутствии каких-либо признаков оледенения на Земле до 2,4 миллиардов лет назад. Это заставляет усомниться в полной достоверности расчетов, представленных в новой работе.
Утверждение авторов о неизменности альбедо Земли с учетом наличия и отсутствия жизни также вызывает сомнения. До появления жизни наша планета получала значительно меньшее количество солнечного излучения, чем в настоящее время (Солнце в те времена излучало на десятки процентов слабее), однако не наблюдалось оледенений. Отсутствие фотосинтезирующей жизни, активно поглощающей парниковые газы, препятствовало образованию ледников. Если бы эта форма жизни не появилась, ледников не было бы и сейчас, равно как и обширных территорий, покрытых снегом. Это должно было существенно уменьшить отражающую способность планеты (альбедо), один из девятнадцати параметров, изучаемых в работе, и представляющий интерес для наблюдения за другими планетными системами.
Появляются вопросы и контраргументы, которые приводят исследователи, критикуя гипотезу Гайи (несмотря на то, что она имеет определенные недостатки). К примеру, захоронение веществ после гибели планктона происходит лишь в современных, весьма необычных для Земли условиях холодных глубин океана (до +4°C) с повышенным pH. До недавних миллионов лет, когда планета обладала более высокой, характерной для нее температурой, дно океанов было значительно теплее (до +20°C в мезозое), а pH воды был ниже, что приводило к активному растворению останков планктона на дне и возвращению части поглощенных ими микроэлементов в биологический цикл. Неудивительно, что палеонтологические данные свидетельствуют о гораздо более богатой жизни в морях той эпохи. Утверждения о разрушительности антропогенного глобального потепления плохо согласуются с тем, что вызвало рекордный рост биомассы на планете.
Несмотря на это, сама концепция оценки характеристик нашей планеты до возникновения жизни и после неё, безусловно, представляет научный интерес. Будущие работы, посвящённые этой проблеме, помогут получить больше сведений о других планетах, особенно с учётом появления новых телескопов, предназначенных для поиска экзопланет.