Астробиология — урок по астрономия

1. Какво търсим?

Астробиологията изучава произхода, разпространението и бъдещето на живота във Вселената. Тя съчетава астрономия, биология, химия и геология. Първият проблем е, че познаваме само един пример за живот – земния.

О

Живот (работна дефиниция на NASA)

Самоподдържаща се химична система, способна на дарвинова еволюция. Целият земен живот използва въглеродни молекули, течна вода като разтворител и източник на енергия (светлина или химични реакции). Затова търсим: течна вода, органични молекули с елементите C, H, N, O, P, S, енергия и време.

Въглеродът образува четири връзки и дълги вериги – основата на сложните молекули. Водата е полярна: разтваря соли и много органични вещества и е течна в широк интервал. През 1953 г. опитът на Милър и Юри показа, че от прости газове, вода и искри се образуват . Органични молекули има и в , кометите и междузвездните облаци.

Пример

На Марс дневната температура край екватора понякога надвишава 0 °C. Защо там няма езера?

Налягането на повърхността е около 600 Pa – под 1% от земното
Тройната точка на водата е при 611 Pa и 0,01 °C: под това налягане течна вода изобщо не може да съществува
Ледът сублимира направо в пара. Течна вода би могла да има само кратко, в най-ниските места и като солен разтвор (солите понижават точката на замръзване)

2. Животът на Земята

Единственият ни пример ни казва нещо важно: животът се появява рано, малко след края на тежката бомбардировка. Но за повечето от историята си е само микробен.

Историята на живота в едно денонощие

Нека 4,54 млрд. години от образуването на Земята до днес са 24 часа. В колко часа се появява животът? А хората?

Преди: 3,48 млрд. години

5 / 15

Слоести постройки от микробни колонии в Пилбара (Австралия) – сигурни следи от живот. Цели 2 милиарда години животът е само едноклетъчен.

показват, че животът понася условия, които допреди 50 години смятахме за невъзможни:

🌋 Термофили

Археята „Щам 121“ се размножава при 121 °C в хидротермалните извори на океанското дъно – температурата, при която стерилизират медицинските инструменти.

🧊 Психрофили

Бактерии живеят в солени води под антарктическия лед при −15 °C и в езерото Уилънс под 800 m антарктически лед.

🧪 Ацидофили

Picrophilus живее при pH 0 – по-кисело от акумулаторна киселина. Други микроби предпочитат силно алкални езера.

☢️ Радиационно устойчиви

Deinococcus radiodurans понася 1000 пъти по-голяма доза радиация от смъртоносната за човека и „сглобява“ отново ДНК-то си.

⛏️ Дълбока биосфера

Микроби живеят на километри под земята, без слънчева светлина, като „ядат“ водород от реакции на водата със скалите.

🐻 Тихоходки

Микроскопични животинчета, които изсъхват и оцеляват при −272 °C, вакуум и радиация – и дори 10 дни открит космос (2007 г.).

3. Къде в Слънчевата система?

Изненадата на последните десетилетия е, че течна вода има не само в . Ледените спътници на гигантите се нагряват от приливите (виж „Газови гиганти“) и крият огромни подледни океани.

🔴 Марс

Преди 3–4 млрд. години е имал реки, езера и може би океан. Марсоходът Perseverance събира проби в древното езеро Джезеро – някои скали имат петна, които на Земята често се образуват с участие на микроби. Пробите трябва да бъдат донесени на Земята.

🧊 Европа (Юпитер)

Под ледена кора от 15–25 km има солен океан с повече вода от всички земни океани. Сондата Europa Clipper (изстреляна 2024 г.) пристига през 2030 г.

⛲ Енцелад (Сатурн)

Гейзерите на южния полюс изхвърлят вода от подледния океан. „Касини“ откри в тях сол, органични молекули, водород (храна за микроби) и фосфати.

🟠 Титан (Сатурн)

Езера от течен метан и етан, органичен „смог“ и подземен воден океан. Хеликоптерът Dragonfly ще лети там от 2034 г.

☁️ Облаците на Венера

На 50–60 km височина температурата и налягането са почти земни, но капките са сярна киселина. Откриването на фосфин (2020 г.) остава силно спорно.

Пример

Енцелад има маса $1{,}08 \cdot 10^{20}\ \mathrm{kg}$ и радиус $252\ \mathrm{km}$ . Гейзерите му изхвърлят частици със скорости до ~ $400\ \mathrm{m/s}$ . Ще напуснат ли спътника?

Втора космическа скорост: $v = \sqrt{2GM / R} = \sqrt{2 \cdot 6{,}674 \cdot 10^{-11} \cdot 1{,}08 \cdot 10^{20} / 2{,}52 \cdot 10^5}$
$v \approx \sqrt{5{,}7 \cdot 10^4} \approx 240\ \mathrm{m/s}$
Да – по-бързите частици напускат Енцелад и образуват прозрачния пръстен E на Сатурн. Сонда може да „опита“ океана, като прелети през гейзерите – без да каца!

4. Биосигнатури

Екзопланетите са твърде далеч за сонди. Можем да изследваме само тяхната светлина. Какво би издало живота от ?

Т

Химично неравновесие (Лъвлок, 1965)

Атмосфера без живот бързо достига химично равновесие. Животът постоянно произвежда газове, които реагират помежду си и би трябвало да изчезнат – например кислород и метан. Ако такава смес се поддържа, нещо непрекъснато я попълва. Скоростта на производство е

P = (\text{количество}) / (\text{време на живот на газа})

.

Пример

В атмосферата на Земята има около 5 милиарда тона метан, а времето на живот на една негова молекула (преди да се окисли) е ~10 години. Колко метан трябва да се произвежда годишно?

$P = 5 \cdot 10^9\ \mathrm{t} / 10\ \text{г.} = 5 \cdot 10^8\ \mathrm{t}$ годишно
Повечето идва от живота: микроби в блатата, оризищата, стомасите на преживните животни, както и от човешка дейност
Без живот метанът би бил стотици пъти по-малко – наблюдател от друга звезда би забелязал разликата

Спектърът на една бледа точка

От светлинни години планетата е само точка. Но спектърът ѝ разказва кои газове има в атмосферата. Изберете планета или „построете“ своя атмосфера.

Двата газа се унищожават взаимно за години до десетилетия. Щом ги има едновременно, нещо постоянно ги попълва – на Земята това е животът. Това е химично неравновесие. Растенията отразяват силно близкото инфрачервено (над 0,7 μm) – „червеният ръб“ е още една улика, която сондата Галилео видя при прелитането покрай Земята през 1990 г.

5. Търсене на разум: уравнението на Дрейк и SETI

През 1960 г. Франк Дрейк насочва 26-метров радиотелескоп към звездите Тау Кит и Епсилон Еридан – проектът „Озма“, първото търсене на извънземни сигнали. Година по-късно той записва знаменитото си уравнение.

Т

Уравнението на Дрейк

N = R_{\star} \cdot f_p \cdot n_e \cdot f_l \cdot f_i \cdot f_c \cdot L

, където

R_{\star}

е броят нови звезди годишно в Галактиката,

f_p

– делът звезди с планети,

n_e

– броят обитаеми планети в такава система,

f_l

– делът, на който възниква живот,

f_i

– делът с разумен живот,

f_c

– делът, който изпраща откриваеми сигнали, а

L

– колко години излъчва такава цивилизация.

Уравнението на Дрейк

N = R★ · f_p · n_e · f_l · f_i · f_c · L – колко цивилизации в Галактиката могат да ни изпратят сигнал точно сега. Първите три множителя вече знаем; останалите са чисти предположения.

R★ = 2/г. – нови звезди годишно(измерено)

f_p = 1 – дял звезди с планети(измерено)

n_e = 0,2 – обитаеми планети в система(измерено)

f_l = 0,1 – дял с възникнал живот(неизвестно)

f_i = 0,01 – дял с разумен живот(неизвестно)

f_c = 0,1 – дял, който изпраща сигнали(неизвестно)

L = 100 хил. г. – колко години излъчват(неизвестно)

Франк Дрейк написва уравнението за първата конференция по SETI през 1961 г. – не за да даде точен отговор, а за да подреди незнанието ни. Днес знаем, че почти всяка звезда има планети и че обитаемите планети не са рядкост. Но за f_l, f_i и L имаме само един пример – нас самите. Затова N може да е между по-малко от 1 и милиони.

Програмите SETI слушат радио- и оптични за изкуствени сигнали. През 1977 г. радиотелескопът „Голямото ухо“ записва силен 72-секунден сигнал – астрономът Джери Еман написва до него „Wow!“. Той не се повтаря никога. Проектът Breakthrough Listen (от 2016 г.) изследва над милион близки звезди. Ние също изпращаме съобщения: посланието от Аресибо (1974 г.) пътува към M13 и ще стигне след ~25 000 години.

6. Парадоксът на Ферми

Пример

Цивилизация изпраща кораби със скорост 0,1c до звезди на 10 светлинни години. Във всяка нова система ѝ трябват 400 години, за да изпрати следващите. За колко време ще обхване Галактиката (100 000 св. г.)?

Един скок: $10\ \text{св. г.} / 0{,}1c = 100\ \text{години полет} + 400\ \text{години} = 500\ \text{години}$ за 10 св. г.
Средна скорост на разпространение: 0,02 св. г. годишно
$t \approx 100\,000 / 0{,}02 = 5$ млн. години – 2000 пъти по-малко от възрастта на Галактиката!

Възможните отговори се делят на няколко групи. „Рядката Земя“: сложният живот изисква изключително стечение на обстоятелства. „Големият филтър“: някоя стъпка – възникването на живота, на сложната клетка, на разума или оцеляването на технологичната цивилизация – е почти непреодолима. Може би цивилизациите съществуват твърде кратко (малко $L$ ) или не искат да се показват („ за зоологическата градина“). А може би просто още не сме търсили достатъчно: за 60 години SETI сме проверили нищожна част от звездите и честотите.

7. 🎯 Бърз тест

1 / 7

✓ 0

Защо астробиолозите търсят преди всичко течна вода?

Избери отговор (или натисни 1–4)

8. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

9. Обобщение

✓ Животът (по NASA): самоподдържаща се химична система, способна на дарвинова еволюция
✓ Нужни са течна вода, въглеродна химия, енергия и време
✓ На Земята животът се появява рано ( $\ge 3{,}5$ млрд. г.), но дълго е само микробен; кислородът – от
✓ Екстремофилите разширяват границите на обитаемото
✓ Кандидати: Марс, Европа, Енцелад, Титан – подледните океани са извън обитаемата зона
✓ Биосигнатури: химично неравновесие ( $\mathrm{O_2} + \mathrm{CH_4}$ ), червеният ръб на растенията
✓ Уравнение на Дрейк: $N = R_{\star} f_p n_e f_l f_i f_c L$ ; парадоксът на Ферми: „Къде са всички?“

💡Интересен факт

Земята и Марс вероятно си разменят камъни: удари на астероиди изхвърлят скали в космоса и някои от тях падат на другата планета. Познаваме над 300 марсиански метеорита. Микроби в такава скала може би биха оцелели пътуването – затова, ако някога намерим живот на Марс, първият въпрос ще бъде дали не сме му роднини.