Ekzoplanetlər kontekstində həyat üçün tələblər və məhdudiyyətlər

Müəllif töhfələri: CPM tədqiqat hazırladı, tədqiqat apardı, yeni reagentlər/analitik vasitələr verdi, məlumatları təhlil etdi və məqaləni yazdı.

Əhəmiyyəti

Exoplanets və exomoonsdakı həyat anlayışımız, Yerdəki həyat haqqında bildiklərimizə əsaslanmalıdır. Maye su Yer həyatı üçün ümumi ekoloji tələbdir. Ekzoplanetdəki temperatur həm maye suya təsirindən, həm də ekzoplanet sistemlərin orbital və iqlim modellərindən birbaşa qiymətləndirilə biləcəyi üçün nəzərə alınacaq ilk parametrdir. Həyatın bir qədər suya ehtiyacı var, amma səhralar göstərir ki, bir az da olsa kifayət edə bilər. Fotosintezi təmin etmək üçün mərkəzi ulduzdan yalnız az miqdarda işıq tələb olunur. Bir azot həyat üçün mövcud olmalıdır və oksigenin olması fotosintezin və bəlkə də kompleks həyatın yaxşı bir göstəricisi olacaqdır.

Mücərrəd

Yerdəki həyat üçün tələblər, elementar tərkibi və ətraf mühit hədləri ekzoplanetlərin yaşayış qabiliyyətini qiymətləndirmək üçün bir yol təqdim edir. Temperatur həm maye suya təsir göstərdiyinə görə, həm də planetlərarası planetlərin orbital və iqlim modellərindən birbaşa qiymətləndirilə biləcəyi üçün əsasdır. −15 ° C -ə qədər və 122 ° C -ə qədər olan temperaturda həyat böyüyə və çoxala bilər. Aşırı çöllərdəki həyat araşdırmaları göstərir ki, quru bir dünyada, hətta az miqdarda yağış, sis, qar və hətta atmosfer rütubəti kiçik, lakin aşkar edilə bilən bir mikrob cəmiyyəti yaradan fotosintez üçün kifayətdir. Həyat, Yerdəki günəş axınının 10–5 -dən aşağı səviyyədə işığı istifadə edə bilir. UV və ya ionlaşdırıcı şüalanma bir çox mikroorqanizm tərəfindən çox yüksək səviyyədə tolere edilə bilər və ekzoplanetdə həyatın məhdudlaşdırılması ehtimalı azdır.Bioloji olaraq mövcud olan azot yaşayış qabiliyyətini məhdudlaşdıra bilər. O səviyyələriBir ekzoplanetin yüzdə 2- dən çoxu çoxhüceyrəli orqanizmlərin mövcudluğuna uyğun olardı və Yerə bənzər dünyalarda O 2- nin yüksək səviyyəsi oksigenli fotosintezi göstərir. PH və duzluluq kimi digər faktorların, ehtimal ki, bütün planetdə və ya Ayda həyatı məhdudlaşdırmaması mümkündür.

Kütlələrin, orbital məsafələrin və ulduz növlərinin müxtəlifliyi ilə ekzoplanetlərin siyahısı sürətlə artır. Uzun siyahı bizi bu dünyalardan hansının həyatı dəstəkləyə biləcəyini və orada hansı həyat növünün yaşaya biləcəyini düşünməyə sövq edir. Bu suallara cavab vermək üçün yeganə yanaşma Yerdəki həyatın müşahidələrinə əsaslanır. Astronomik hədəflərlə müqayisədə, Yerdəki həyat asanlıqla öyrənilir və bu barədə biliklərimiz genişdir - ancaq tam deyil. Yerdəki həyat haqqında məlumatımız olmadığı ən əhəmiyyətli sahə onun mənşəyidir. Həyatın mənşəyi ilə bağlı nə konsensus nəzəriyyəmiz var, nə də zamanını və yerini bilirik (1). Yerdəki həyat haqqında bildiklərimiz, onun nədən ibarət olduğunu və ekoloji tələblərini və sərhədlərini bilirik. Beləliklə,ekzoplanetlərdə həyatla bağlı müzakirələrin çoxunun mənşəyindən çox həyat üçün tələblərə yönəlməsi təəccüblü deyil. Bu yazıda biz də eyni yanaşmanı izləyirik, lakin daha sonra həyatın mənşəyi sualına qısaca qayıdırıq.

Həyatın məhdudiyyətləri

Həyatın sərhədləri məsələsinə iki fərqli yanaşma var. Birinci yanaşma həyat üçün tələbləri müəyyənləşdirməkdir. İkinci yanaşma, uyğunlaşdırılmış orqanizmlərin - çox vaxt ekstremofillər olaraq adlandırılanların - yaşaya biləcəyi həddindən artıq mühitləri müəyyən etməkdir. Hər iki perspektiv ekzoplanetlərdə həyat məsələsi ilə əlaqəlidir.

Yerdəki həyat üçün tələbləri dörd maddə kimi təsnif etmək faydalıdır: enerji, karbon, maye su və digər müxtəlif elementlər. Bunlar Günəş Sistemində bu faktorların meydana gəlməsi ilə birlikdə Cədvəl 1 -də verilmişdir (2). Günəş Sistemimizdə, yaşaya bilən mühitlərin meydana gəlməsini məhdudlaşdıran maye suyun meydana gəlməsidir və bu, planetdənkənar sistemlər üçün də belədir.

Cədvəl 1.

Həyat üçün ekoloji tələblər

TələbGünəş sistemində meydana gəlməsi
EnerjiÜmumi
Əsasən yüngül100 AU işıq səviyyəsində fotosintez
Kimyəvi enerjiməsələn, H 2+ CO 2→ CH 4+ H 2O
KarbonCO 2və CH 4kimi ümumi
Maye suNadirdir, yalnız Yer üzündə
N, P, S, Na və digər elementlərÇox güman ki, adi haldır

Əsas termodinamik mülahizələrdən aydın olur ki, həyat enerji mənbəyi tələb edir. Maddələr mübadiləsini və böyüməni gücləndirmək üçün Yerdəki həyat yalnız bir enerji mənbəyindən istifadə edir: azalma və oksidləşmənin kimyəvi reaksiyaları ilə elektronların ötürülməsi ilə əlaqədardır. Məsələn, metan istehsal mikroblar CO reaksiya istifadə 2 H 2 istehsal CH üçün 4. Fotosintetik orqanizmlər foton enerjisini bir elektronun enerjisinə çevirmək üçün xlorofil, bakterioxlorofil və bakteriorhodopsin kimi işıq uducu bir zülaldan istifadə edir, sonra isə redoks reaksiyasını tamamlayır. Redoks reaksiyasından gələn elektronlar, hüceyrə membranları arasında elektrokimyəvi bir qradiyent yaratmaq üçün istifadə olunur (3). Bu, əksər ökaryotların mitokondriyalarında və prokaryotik hüceyrələrin hüceyrə membranında baş verir. Bu yaxınlarda, birbaşa elektrik cərəyanı olaraq verilən elektronların mikrob metabolizmasını da idarə edə biləcəyi göstərilmişdir (4). Həyat maqnit, kinetik, cazibə qüvvəsi, termal gradient və elektrostatik daxil olmaqla digər enerji mənbələrini aşkar edə və yarada bilsə də, bunların heç biri metabolik enerji üçün istifadə edilmir.

Karbon, Yer həyatı üçün biokimyanın onurğa molekulu olaraq dominant rola malikdir və Günəş Sistemində geniş yayılmışdır. Bununla birlikdə, karbonun bolluğu ekzoplanetin yaşayış qabiliyyətinin faydalı bir göstəricisi olmaya bilər. Bu, Yerin xarici Günəş Sistemi ilə müqayisədə karbonda əhəmiyyətli dərəcədə tükəndiyini göstərən Şəkil 1 -də göstərilmişdir. Yerdəki karbonun böyük əksəriyyəti yer qabığının çöküntü süxurlarında saxlanılır. Bununla birlikdə, tərkibində yüngül karbon olan molekullar uçucu olduğundan-CO 2 , CO və CH 4- Yerin səthində, həmçinin Marsda və Venerada kifayət qədər karbon yoxdur.

Günəş Sistemindəki karbon, müxtəlif Günəş Sistemi obyektləri üçün ümumi ağır elementlərə (>He) nisbəti olaraq. Daxili Günəş Sistemində karbon tükənir. X ox əsl məsafə miqyaslı deyil obyektləri Günəşdən artan məsafə sifariş Məlumatlar aşağıdakı tərtiblərdəndir: kometalar və Tip I karbonlu kondritlər, CI (72); həyat (73); Yer və Venera (74); Günəş, Yupiter, Saturn, Uran və Neptun (75). Mars, karbon rezervuarının ölçüsü məlum olmadığı üçün göstərilmir. Ref -dən şəkil. 76.

Yerdəki həyat karbondan əlavə səthdə mövcud olan çoxlu elementlərdən istifadə edir. Ancaq bu, bu elementlərin ümumiyyətlə karbon əsaslı həyat üçün mütləq tələblər olduğunu sübut etmir. H 2 O və C -dən başqa , N, S və P elementləri, ehtimal ki, tələb olunan elementlərin statusu üçün aparıcı namizədlərdir. Davies və Kochdan (5) uyğunlaşdırılan Cədvəl 2, kosmosdakı və Yerdəki elementlərin paylanmasını sadalayır və bunları insanlarda və Escherichia coli bakteriyası ilə təmsil olunan həyatdakı ümumi elementlərlə müqayisə edir.. Əgər maye su və bioloji olaraq mövcud olan azot varsa, fosfor, kalium, natrium, kükürd və kalsium bakteriyalarda ən çox axtarılan elementlər olduğu üçün tələblər siyahısında yer ala bilər. Bununla belə, qəti bir siyahı yoxdur və hər hansı bir siyahı orqanizmdən asılıdır; məsələn metanogenlər üçün yaşamaq üçün yüksək nikel səviyyələri tələb olunur (6). Ciddi mənada yaşayış qabiliyyəti yalnız yaşayış yerini göstərməklə təsdiqlənə bilər; heç bir siyahı qəti deyil. Bu ikincil elementlərdən, ehtimal ki, aşağıda müzakirə edildiyi kimi, ekzoplanetdə ən çox ehtimal olunan sual N -dir. Kükürd və fosfor və Davies və Koch (5) tərəfindən həyatda istifadə edildiyi kimi qalan elementlərin demək olar ki, hamısı maye suyun temperaturunda əsas odadavamlı fazalara malikdir və su ilə qaya qarşılıqlı olduqda mövcud olmalıdır.

Cədvəl 2.

Kütləvi element elementləri

1Kosmik, %Yer qabığı, %İnsanlar, %Bakteriyalar ( E . Coli ),%
1H70.7O46.6O64O68
2O27.4Si27.7C19C15
3O0.958Al8.13H9H10.2
4C0.304Fe5.00N.5N.4.2
5Yox0.174Ca3.63Ca1.5P0.83
6Fe0.126Na2.83P0.8K0.45
7N.0.110K2.59S0.6Na0.40
8Si0.0706Mg2.09K0.3S0.30
9Mg0.0656Ti0.44Na0.15Ca0.25
10S0.0414H0.14Cl0.15Cl0.12

Həyat tələblərinə ikinci yanaşma, ətraf mühit amillərində ekstremofillərin qabiliyyətlərinə əsaslanır. Cədvəl 3 ekstremal şəraitdə həyat məhdudiyyətlərini sadalayır. Cədvəl 1 -də sadalanan həyat tələblərinə dair anlayışımız uzun illər dəyişməyib. Bunun əksinə olaraq, Cədvəl 3 -də sadalanan həyat məhdudiyyətləri son bir neçə onillikdə bir neçə əhəmiyyətli şəkildə dəyişmişdir. Bir neçə onilliklər əvvəlki həyat məhdudiyyətlərinin siyahısını (7) Cədvəl 3 ilə müqayisə etsək, ən diqqət çəkən dəyişiklik yüksək temperatur həddindədir. Bu, 80 ° C -dən 122 ° C -ə qaldırılmışdır (8). Həyatın məhdudiyyətləri və onların başqa dünyalarda həyat axtarışına tətbiqi ilə bağlı xeyli müzakirə aparıldı (9–11) və orqanizmlərin eyni anda birdən çox ekstremal şərtlərlə üzləşdiyi zaman məhdudiyyətlərin dəyişdiyi məlum oldu (12).

Cədvəl 3.

Həyatın ekoloji məhdudiyyətləri

ParametrLimitQeyd
Aşağı temperatur∼ -15 ° Cİncə film və ya duzlu məhlullarla əlaqəli maye su ilə məhdudlaşır
Yuxarı temperatur122 ° CLipidlərin suda həll olması, zülal stabilliyi
Maksimum təzyiq1100 atmRef. 10
Zəif işıq∼0.01 μmol m −2 ⋅s −1 = 5 × 10 −6 birbaşa günəş işığıBuz altında və dərin dənizdə yosunlar
pH0–12.5
DuzluluqDoymuş NaClDuzdan və temperaturdan asılıdır
Su fəaliyyəti0.6Maya və qəliblər
0.8Bakteriya
UV≥1,000 J m -2 D. radioduranlar
Radiasiya50 G/sD. radioduransın davamlı dozada böyüməsi
12,000 GyKəskin doza, quru və ya donmuş vəziyyətdə daha yüksəkdir

Ref -dən dəyişdirildi. 2; Ref və UV radiasiya girişləri. 42.

Son bir neçə onillikdə həyatın sərhədləri bəzi yollarla dəyişsə də, mikrob ekosistemlərinin harada tapılacağına dair anlayışımızda daha köklü bir dəyişiklik oldu. Gözlənilməz mikrob ekosistemlərinin kəşf edilməsinin görkəmli nümunələrinə Antarktidanın soyuq çölündə endolitik mikroorqanizmlər (13), dərin dərinlikdəki deliklər (14), sərin dərin dəniz delikləri (15), bazaltın dərinliklərində (16), yerin dərinliyində (17) və minlərlə ildir möhürlənmiş buzla örtülmüş Antarktida gölündə (18). Bu yaxınlarda kəşf edilmiş ekosistemlərin bir neçə aspektini şərh etməyə dəyər: birincisi, tapılan orqanizmlər yad deyil və həyat ağacının gözlənilən ərazilərində xəritələnir; ikincisi, yüksək temperaturlu havalandırma delikləri istisna olmaqla, orqanizmlər daha dünyəvi və əlçatan ekosistemlərdən qaynaqlanan həyat sərhədlərini çox genişləndirmir; üçüncüsü,orqanizmlərin özləri bu qeyri -adi mühiti həddindən artıq görmürlər və ümumiyyətlə yaşadıqları şəraitə yaxşı uyğunlaşırlar; dördüncüsü, bu mühitlərdəki orqanizmlər ümumiyyətlə öz metabolik aktivliyi ilə fiziki mühiti (temperatur və təzyiqi) idarə etmirlər, əksinə, bu mühitlər daha böyük yaşayış üçün əlverişsiz ərazilərdə yuvalansa belə, yerli fiziki şərtlərin uyğun olduğu yerlərdə yaşayırlar. Bu kəşflərdən götürüləcək dərs mikrobiyal həyatın yaşamaq üçün yerlər tapmaqda son dərəcə ustalıqlı olmasıdır və başqa yerlərdə kiçik mühitlərin necə yaşana biləcəyini əvvəlcədən bilməmişik: mikrob həyatı bizdən daha ağıllıdır. Bu, ekzoplanetlərin məskunlaşma imkanlarını nəzərə almalıyıq.

Exoplanets üçün strategiya

Həyata dair ümumi tələbləri (Cədvəl 1), həyatın elementar tərkibini (Cədvəl 2) və həyat üçün ekoloji məhdudiyyətləri (Cədvəl 3) nəzərə alaraq, ekzoplanetdə ətraf mühitin yaşayış qabiliyyətini necə qiymətləndirəcəyimizi nəzərdən keçirə bilərik. Əsas istehsala diqqət yetirmək məntiqli görünə bilər, çünki onsuz bir ekosistem ola bilməz. Bununla birlikdə, ekzoplanet atmosferində fotokimyəvi proseslərin Titan üçün təklif edildiyi kimi əsas istehsal rolunu oynadığı mümkündür (19). Cədvəl 3 -də pH və duzluluq kimi bir çox həyat sərhədlərinin bütün dünyada həddindən artıq olması ehtimalı azdır. Yer üzündə olduğu kimi, həyatın bir dünyada paylanmasını formalaşdıracaqlar, lakin bunun mümkün olması deyil və buna görə də daha çox düşünülmür.Bütün dünyada həddindən artıq ola biləcək əsas parametrlər və ekzoplanetdəki hər hansı bir həyatı məhdudlaşdırma qaydası Cədvəl 4 -də verilmişdir.

Cədvəl 4.

Qütbdənkənar bir planetin yaşaması üçün yoxlama siyahısı

TələbQeyd
1. Suyun temperaturu və vəziyyətiT -15 ° C ilə 122 ° C arasında, P >∼0.01 atmosfer
2. Suyun mövcudluğuYağış, sis, qar və ya RH>bir neçə gün ərzində>80%
3. İşıq və redoks enerji mənbələri
4. UV və ionlaşdırıcı şüalanmaD. radiodurans tərəfindən nümunə verilən məhdudiyyətlər (Cədvəl 3)
5. AzotFiksasiya üçün kifayət qədər N 2 və ya sabit azot mövcuddur
6. O 20.01 atmosferin kompleks həyatı dəstəkləməsi lazımdır

Yerə bənzər həyat üçün ən əhəmiyyətli parametr, təzyiq və temperaturdan birbaşa asılı olan maye suyun olmasıdır. İstilik həm maye suya təsirindən, həm də planetlərarası planetlərin orbital və iqlim modellərindən birbaşa qiymətləndirilə biləcəyi üçün əsasdır. Soyuq və isti sərhədləri nəzərdən keçirə bilərik.

Temperatur, Soyuq Limit.

Bir çox orqanizm təmiz suyun donma nöqtəsindən xeyli aşağı temperaturda böyüyə və çoxala bilər, çünki hüceyrədaxili materialda məhlulun donma nöqtəsini aşağı salan duzlar və digər həlledicilər var. Bu yaxınlarda Mykytczuk et al. (20) -15 ° C -də böyüyən və bölünən, bu günə qədər nümayiş etdirilən ən aşağı temperatur olan və donmuş torpaqlarda −25 ° C -də metabolik olaraq aktiv olan bir Arktik permafrostdan bir izolyasiya olduğunu bildirdi. Buz və torpaq dənələri arasındakı kəsişmədə olan hər hansı bir həll olunan maddə ilə artırılan nazik su filmləri, bu aşağı temperaturlarda həyat üçün kifayət qədər su təmin edir (20, 21). Qar yosunları Chlamydomonas nivalisqarla əlaqəli maye suda böyüyür, qırmızı rəngə boyanır, ancaq yosunlar qarı əridən xarici proseslərin faydalanıcılarıdır (22, 23). Mikrob aktivliyi əriməyə böyük töhfə verən permafrost torpaqlarda (və poliqonlarda və kompostlarda) kifayət qədər istilik yarada bilər (24, 25), lakin birbaşa birləşən, məsələn, fermentlər vasitəsilə metabolik enerjidən istifadə edən bir orqanizmin heç bir məlum hadisəsi yoxdur. buzun əriməsinin gizli istiliyini aradan qaldırmaq və bununla da onu mayeləşdirmək.

Temperatur, İsti Limit.

Bu günə qədər kəşf edilmiş bir çox ekzoplanet yüksək səth istiliyinə malikdir və buna görə də həyatın yüksək temperatur həddi xüsusi maraq doğurur. Takai və başqaları. (8) yüksək təzyiqin (20 MPa, ∼200 atmosfer) maye suyu sabitləşdirdiyi 122 ° C -də bir metanogen tərəfindən artım, sağ qalma və metan istehsalını göstərdi. Daha yüksək təzyiqdə su daha yüksək temperaturda maye ola bilər. Bununla birlikdə, su təzyiq altında bir maye olaraq qızdırıldıqda və saxlandıqda, dielektrik sabitliyi və mayenin polaritesi kəskin şəkildə azalır, buna görə də bir həlledici kimi xüsusiyyətlərini və həll olunmuş biomolekullarla, xüsusən lipidlərlə, həm də zülal və nukleinlə qarşılıqlı təsirini əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir. turşular. 200 ° C -də dielektrik sabitliyi otaq temperaturu dəyərinin təxminən yarısıdır (26).Çox güman ki, aşağı dielektrik sabit suda həll olunan lipid iki qatlıların sabitliyinin pozulması, həyatın yüksək temperatur həddini təyin edir. Bu səbəbdən, ən yüksək temperaturda yaşaya bilən orqanizmlərin arxea olması təəccüblü deyil, çünki membran lipidləri kimyəvi cəhətdən ester bağlarından daha davamlı olan eter bağları ilə birlikdə tutulur. arxeeya olmayan. Zülalların temperatur ilə denatürasiyası da bir rol oynayır (28). Qayalarla təmasda olan isti su, redoks cütlərinin yaranmasında və ya geri çevrilməsində təsirli ola bilər - bu Enceladusun daxili hissəsi üçün təklif edilmişdir (29).Bu cür ekosistemlər, ekzoplanetin və ya ekzomonun okeanının altındakı mümkün həyatın inandırıcı bir nümunəsini təqdim edir və hətta bir O -nun iştirakı ilə çoxhüceyrəli həyatı dəstəkləyəcək qədər məhsuldar ola bilər.2 -zəngin mühit. Şəkil 2, Lost City hidrotermal havalandırma kanalında bir yengeç göstərir.

Sualtı gəmilərdəki yüksək temperatur ömrü mürəkkəb həyatı dəstəkləyə bilər. Lost City hidrotermal sahəsindəki yengeç. Görüntü D. Kelley, Vaşinqton Universiteti, Kəşfiyyat İnstitutu, Rod -Aylend Universiteti Arxeoloji Okeanoqrafiya İnstitutu Lost City Science partiyası və Milli Okean və Atmosfer İdarəsinin izni ilə.

Su, Quru Limit.

Temperaturun yuxarıda müzakirə olunan aralığa daxil olduğu dünyalarda, həyat suyun mövcudluğu ilə məhdudlaşa bilər; Mars buna misaldır. Beləliklə, həyatın quru həddi maraq doğurur. Quru mühitlərdə fototroflar sığınacaq axtarır və suları qayaların altında və altında saxlayırlar. Şəkil 3, bir neçə quru səhradan gələn fotosintetik siyanobakteriyalar və likenləri göstərir. Şəkil 3 A , Atakama Çölünün quru nüvəsindəki halit süxurlarının səthinin altında yaşayan endolitik siyanobakteriyanı göstərir (30). Onların böyüməsini dəstəkləyən su, duzun çürüməsi ilə atmosfer nəminin udulmasından qaynaqlanır (31). Şəkil 3 BHər il bir neçə gün yağış və ya sis kimi sağ qalan bir çox səhrada şəffaf qayaların altında yaşayan siyanobakteriyaların yaşıl biofilmini göstərir (32-34). Göstərilən nümunə, içərisində aydın olan, lakin qırmızı bir örtüklə örtülmüş Mojave Çölündəki qeyri -adi bir karbonat qayasından alınmışdır (35, 36). Şəkil 3 C , Antarktidanın Quru Vadilərindən qumtaşı içərisində yaşıl və qara bir təbəqə meydana gətirən likenləri göstərir ki, aralıq qarların əriməsindən su alır (37, 38). Bu nümunələr göstərir ki, az miqdarda yağış, sis və ya qar və hətta atmosfer rütubəti kiçik, lakin aşkar edilə bilən bir mikrob cəmiyyəti yaradan fotosintez üçün kifayətdir.

Quru mühitlərdə fotosintez. Dünyanın ən quru mühitlərində fotosintez qayaların içərisində və altında baş verir. ( A ) Atacama Çölünün quru nüvəsindəki halit süxurlarının səthinin altında yaşayan siyanobakteriyaların yaşıl təbəqəsi (30). ( B ) Qaya altında yaşayan siyanobakteriyaların yaşıl biofilmini göstərən Mojave səhrasından qırmızı örtüklü, karbonatlı şəffaf süxurların ters çevrilmiş nümunələri (32, 35, 36). ( C ) Antarktidanın Quru Vadilərindən qumtaşı içərisində yaşıl və qara bir təbəqə meydana gətirən liken (37). Bütün şəkillərdəki ölçek çubuğu, 1 sm. Şəkillər A , B və C , sırasıyla J. Wierzchos, C. McKay və EI Fridmann iznidir.

Enerji.

Həyat enerjisi, geotermal proseslər və ya mərkəzi ulduzun işığı nəticəsində yaranan kimyəvi redoks cütlərindən gələ bilər. Geotermal axın ( i ) planetin cazibə qüvvəsi istiliyindən soyuması, ( ii ) uzunömürlü radioaktiv elementlərin çürüməsi və ya ( iii ) nəticəsində yarana bilər.) yaxın orbitdə olan dünya və ya ay üçün gelgit istiləşməsi. Qeyd edək ki, Yer kürəsində geotermal istiliyin yalnız kiçik bir hissəsi kimyəvi enerjiyə çevrilir, halbuki günəş axınının təxminən yarısı fotosintez üçün istifadə edilə bilən dalğa uzunluqlarında baş verir. İstilik axınında mövcud olan sərbəst enerji, aşağı entropiyalı fotonlarda olduğundan daha az olduğu üçün bu gözlənilir. Yer nümunəsi, bir biosferin qlobal miqyasda təsir göstərə biləcəyini və bu səbəblə ulduzlararası məsafələrdə, yalnız işıqla işlədildikdə aşkar edilə biləcəyini göstərir. Jeotermal mənşəli kimyəvi enerjiyə əsaslanan həyat, enerji məhdudiyyətləri ilə həmişə kiçik və qlobal baxımdan əhəmiyyətsiz qalacaq. Həyat işığı çox aşağı səviyyədə istifadə edə bilir. Littler və s. (39) 0,01 μmol m −2 ⋅s −1 işıq səviyyələrində dərin yamaclarda qırmızı makro yosunların artımını bildirdi. Raven və başqaları.(40), fotosintez üçün minimum işıq səviyyələrini nəzərdən keçirmiş və nəticəyə gəlmişdir ki, 0.01 μmol m −2 ⋅s −1 (40) və ya Yerdəki birbaşa günəş axınının 2,0005 × 10 6 (2000 μmol m −2 ⋅) s -1). Plutonun orbitində belə işıq səviyyələri bu dəyəri ∼100 dəfə aşır. Günəşə nisbətən daha çox infraqırmızı şüalanan ümumi ulduz növü olan M ulduzları ətrafındakı ekzoplanetlərin bitkilərdə istifadə olunan iki foton sistemi əvəzinə üç və ya dörd fotonlu bir foton istifadə edərək fotosintezi dəstəkləyə biləcəyi irəli sürüldü. Yer üzündə (41).Günəşə nisbətən daha çox infraqırmızı şüalanan ümumi ulduz növü olan M ulduzları ətrafındakı ekzoplanetlərin bitkilərdə istifadə olunan iki foton sistemi əvəzinə üç və ya dörd fotonlu bir foton istifadə edərək fotosintezi dəstəkləyə biləcəyi irəli sürüldü. Yer üzündə (41).M ulduzları ətrafındakı ekzoplanetlərin-Günəşə nisbətən daha çox infraqırmızı şüalanan adi bir ulduz tipi-bitkilərdə istifadə olunan iki foton sistemi əvəzinə üç və ya dörd fotonlu bir foton istifadə edərək fotosintezi dəstəkləyə biləcəyi irəli sürüldü. Yer üzündə (41).

UV və Radiasiya.

Mürəkkəb həyat formaları (insanlar kimi) radiasiyaya həssasdırlar, lakin bir çox mikroorqanizmlər tərəfindən dözülə bilən doza ətrafdakı təbii radiasiya səviyyəsi nəzərə alınmaqla heyrətamiz dərəcədə yüksəkdir. Cədvəl 3 , yüksək radiasiya dözümlülüyü ilə yaxşı öyrənilmiş bir torpaq heterotrofu olan Deinococcus radiodurans üçün toleransları və kəskin dozada sağ qalmağı sadalayır (42). D -nin yüksək radiasiya tolerantlığının olduğu irəli sürülmüşdür . radioduranslar dehidratasiya stresinə uyğunlaşmasından qaynaqlanır (43). Chroococcidiopsis cinsinin səhra siyanobakteriyaları (onların xarakterik hipolitik böyümə formasında göstərilmişdir. 3 B) qurudulmaya, ionlaşdırıcı şüalara və UV -yə son dərəcə davamlıdır (44, 45). Ekzoplanetin yaşamaq üçün maqnit sahəsinə ehtiyacı olmayacaq. Hər hansı bir inandırıcı sahə qalaktik kosmik şüalardan yayınmaz, çünki bu hissəciklər çox enerjili olur. Bu hissəciklər ilk növbədə atmosfer kütləsi və ya səth materialları tərəfindən dayandırılır. Yer atmosferinin sütun kütləsi 1 kq/sm 2 -ə bərabərdir. Yerin maqnit sahəsi, bu hissəcikləri aurora meydana gətirən qütb bölgələrinə yönəldən günəş protonlarını sapdırır. Ancaq maqnit sahəsi olmasa belə bu hissəciklər Yer atmosferinə nüfuz etməz və səthə çata bilməzdi. Sahə tərsinə çevrilərkən Yer bəzən güclü dipol sahəsini itirir. Bu hadisələr fosil qeydlərindəki yox olma ilə əlaqəli deyil.

Azot.

Həyat bir azot mənbəyi tələb edir. Azot karbondan sonra həyat üçün lazım olan ən vacib elementdir (46). Təcrübələr göstərdi ki, aerob mikroorqanizmlərin fiksasiya üçün minimum 1-5 × 10-3 atmosfer N 2 tələb olunur (47). Aurora, şimşək və vulkanlar kimi müxtəlif enerjili proseslər CO 2 atmosferində belə N 2 -ni nitrata çevirə bilər (48). Xarici Günəş Sisteminin azalma şəraitində, N bioloji olaraq da istifadə edilə bilən ammonyak şəklində mövcuddur. Azotun bioloji mövcudluğu Mars üçün yaşayış yerinin təyin edilməsində mühüm amildir (49, 50).

Yerdəki çoxhüceyrəli həyat ümumiyyətlə oksigen mübadiləsinə əsaslanır və Yer tarixində çoxhüceyrəli həyatın yüksəlməsi oksigenin artımını izlədi (51). Oksigen ilə çoxhüceyrəli həyat arasındakı əlaqədə maraqlı istisnalar var (52, 53) və O 2 ilə əlaqənin daha çox araşdırmaya ehtiyacı ola bilər (54). Buna baxmayaraq, ekzoplanetdə bir neçə faizdən çox olan O 2 səviyyələri çoxhüceyrəli orqanizmlərin mövcudluğu ilə uyğun gəlir və bəlkə də onu göstərir. Owen (55), O 2 və O 3 -ün ekzoplanetlərdə və ekzomonlarda həyatın sübutunu axtararkən spektroskopiya üçün uyğun hədəflər olacağını irəli sürdü . Ümumiyyətlə , Yerə bənzər dünyalarda yüksək O 2 səviyyəsinin fotosintezi göstərdiyi qəbul edilir.

Həyatın mənşəyi

Bir ekzoplanetdəki həyat haqqında müzakirələr məntiqi olaraq bu dünyadakı həyatın mümkün mənşəyini nəzərə almaqla başlamalıdır. Ancaq həyatın mənşəyi ilə bağlı anlayışımız spekulyativdir və buna görə də, yaşayış mühitinin müxtəlifliyinə malik olan planetlərin də həyat mənbəyi olduğunu güman edə bilərik (1).

Şəkil 4 -də göstərildiyi kimi, həyatın bir dünyada müstəqil olaraq yaranmasından və ya başqa bir yerdən o dünyaya daşınmasından asılı olaraq, Yerdəki həyatın mənşəyi ilə bağlı nəzəriyyələri iki əsas kateqoriyaya bölmək faydalıdır (1). Sonuncu kateqoriyaya ümumiyyətlə panspermiya deyilir və həm təbii, həm də yönləndirilmiş panspermiyanı ehtiva edən versiyalar nəzərdən keçirilir (1).

Davis və McKay (1) tərəfindən Mars üçün nəzərdə tutulmuş, lakin ekzoplanetlərdə həyatın mənşəyi üçün tətbiq olunan Yerdəki həyatın mənşəyi ilə bağlı nəzəriyyələr.

Ekzoplanetlərlə əlaqəli mümkün panspermiya sxemləri mövcuddur. Napier (56), həyatın ulduzlar arasında toz üzərində aparıla biləcəyini irəli sürdü (bax: ref. 57), digərləri isə süxurların ulduz sistemləri arasında hərəkət edə biləcəyini irəli sürdülər (58, 59). Əgər belə toz dənələri və ya daşlar planet əvvəli bulutsuya daxil olsaydı, yaranan hər planet və ay həyatla yoluxmuş olardı.

Yerdəki həyatın Yer üzündə başladığını irəli sürən həyatın mənşəyinə dair nəzəriyyələr Şəkil 4 -də "Yerüstü" olaraq etiketlənir və uyğun ekzoplanetlərə də tətbiq oluna bilər. Ekzoplanetlərdə həyat üçün əsas sual, həyatın başlaması üçün yaşana bilən şərtlərin - maye suyun - nə qədər davam etməsidir. Yer üzündəki fosil qeydləri, həyatın bu planetdə başlamasının nə qədər davam etdiyi ilə bağlı yalnız geniş məhdudiyyətlər verir. Yerin yaranma simulyasiyaları, yaşayış şəraitinin 3,9 milyard il əvvəl mövcud olduğunu göstərir. Mümkün həyatın ən erkən göstəricisi 3.8 milyard il əvvəl karbon izotopu qeydində mövcuddur (60, 61) və həyatın inandırıcı sübutları 3.4 milyard il əvvəl (62). Beləliklə, həyatın mənşəyi Yerin yaranmasından 100-500 milyon il sonra meydana gəldi. Ancaq bu yalnız yuxarı hədddirvə proses çox daha sürətli ola bilər. Lazcano və Miller (63) bu suala bir baxış keçirərkən, "həyatın siyanobakteriyalara doğru əmələ gəlməsi və inkişaf etməsi üçün vaxt hesablamalarında iştirak edən bir çox qeyri -müəyyənliyə baxmayaraq, bu prosesin Sianobakteriyalara ibtidai şorbanın başlanğıcı 10 milyon ildən çox çəkdi. Ancaq Orgel (64) bu nəticəni tənqid etdi və həyata aparan addımları anlamadığımızı bildirdi; buna görə də, lazım olan vaxtı hesablaya bilmərik: "Bu əsas çətinliyi aşmaq cəhdləri problemin mahiyyətinin yanlış anlaşılmasına əsaslanır." Beləliklə, yeni məlumatlar əldə olunana qədər həyatın mənşəyi problemi həll olunmamış qalır.Lazcano və Miller (63) irəli sürdülər ki, "həyatın siyanobakteriyalara doğru əmələ gəlməsi və inkişaf etməsi üçün zamanın hesablanmasında iştirak edən bir çox qeyri -müəyyənliyə baxmayaraq, bu prosesin primitif şorbanın başlanğıcından siyanobakteriyalara qədər davam etdiyini düşünmək üçün heç bir əsas görmürük" , 10 milyon ildən çox çəkdi. " Ancaq Orgel (64) bu nəticəni tənqid etdi və həyata aparan addımları anlamadığımızı bildirdi; buna görə də, lazım olan vaxtı hesablaya bilmərik: "Bu əsas çətinliyi aşmaq cəhdləri problemin mahiyyətinin yanlış anlaşılmasına əsaslanır." Beləliklə, yeni məlumatlar əldə olunana qədər həyatın mənşəyi problemi həll olunmamış qalır.Lazcano və Miller (63) irəli sürdülər ki, "həyatın siyanobakteriyalara doğru əmələ gəlməsi və inkişaf etməsi üçün zamanın hesablanmasında iştirak edən bir çox qeyri -müəyyənliyə baxmayaraq, bu prosesin primitif şorbanın başlanğıcından siyanobakteriyalara qədər davam etdiyini düşünmək üçün heç bir əsas görmürük" , 10 milyon ildən çox çəkdi. " Ancaq Orgel (64) bu nəticəni tənqid etdi və həyata aparan addımları anlamadığımızı bildirdi; buna görə də, lazım olan vaxtı hesablaya bilmərik: "Bu əsas çətinliyi aşmaq cəhdləri problemin mahiyyətinin yanlış anlaşılmasına əsaslanır." Beləliklə, yeni məlumatlar əldə olunana qədər həyatın mənşəyi problemi həll olunmamış qalır.10 milyon ildən çox çəkdi. " Ancaq Orgel (64) bu nəticəni tənqid etdi və həyata aparan addımları anlamadığımızı bildirdi; buna görə də, lazım olan vaxtı hesablaya bilmərik: "Bu əsas çətinliyi aşmaq cəhdləri problemin mahiyyətinin yanlış anlaşılmasına əsaslanır." Beləliklə, yeni məlumatlar əldə olunana qədər həyatın mənşəyi problemi həll olunmamış qalır.10 milyon ildən çox çəkdi. " Ancaq Orgel (64) bu nəticəni tənqid etdi və həyata aparan addımları anlamadığımızı bildirdi; buna görə də, lazım olan vaxtı hesablaya bilmərik: "Bu əsas çətinliyi aşmaq cəhdləri problemin mahiyyətinin yanlış anlaşılmasına əsaslanır." Beləliklə, yeni məlumatlar əldə olunana qədər həyatın mənşəyi problemi həll olunmamış qalır.

Titan Həyatı

Əvvəlki bölmələrdə, ekzoplanetlərdə həyat haqqında düşüncələr, maye su tələb edən Yerə bənzər bir həyat üzərində qurulmuşdur. Bu, əlbəttə ki, həyat axtarışında ağlabatan bir başlanğıc nöqtəsidir. Ancaq ola bilsin ki, sudan başqa mayelər də karbon əsaslı həyat formaları üçün uyğun mühitdir. Benner və s. (65) əvvəlcə Titandakı maye karbohidrogenlərin suyun Yerdəki həyat üçün etdiyi rolu oynayaraq həyat üçün əsas ola biləcəyini irəli sürdü. Bu tədqiqatçılar bir çox mənada karbohidrogen həlledicilərinin mürəkkəb üzvi kimyəvi reaktivliyi idarə etmək üçün sudan daha yaxşı olduğu qənaətinə gəldilər. Həyat üçün uyğun redoks enerjisi də mövcuddur. Titan səthindəki üzvi molekullar (məsələn, asetilen, etan və bərk üzvi maddələr) atmosferdə metan əmələ gətirən hidrogenlə reaksiya verərsə enerjini sərbəst buraxardılar (19, 66).Asetilen ən çox enerji verir. Bununla birlikdə, bütün bu reaksiyalar kinetik olaraq inhibe edilir və buna görə uyğun katalizatorlar əmələ gəlsəydi, biologiya tərəfindən istifadə edilə bilər. Buna əsaslanaraq, McKay və Smith (19), Titana bənzər bir dünyada həyat əlaməti olaraq hidrogen, asetilen və etan tükənəcəyini təxmin etdilər. Lunine (67), Titan bənzər dünyaların və ayların qalaktikada Yerə bənzər dünyalardan daha çox ola biləcəyini irəli sürdü. Gilliam və McKay (68), M tipli ulduzların ətrafında fırlanan Titana bənzər dünyaların maye metan və etan səth su anbarlarını necə qoruya biləcəyini göstərdilər.Lunine (67), Titan bənzər dünyaların və ayların qalaktikada Yerə bənzər dünyalardan daha çox ola biləcəyini irəli sürdü. Gilliam və McKay (68), M tipli ulduzların ətrafında fırlanan Titana bənzər dünyaların maye metan və etan səth su anbarlarını necə qoruya biləcəyini göstərdilər.Lunine (67), Titan bənzər dünyaların və peyklərin qalaktikada Yerə bənzər dünyalardan daha çox ola biləcəyini irəli sürdü. Gilliam və McKay (68), M tipli ulduzların ətrafında fırlanan Titana bənzər dünyaların maye metan və etan səth su anbarlarını necə qoruya biləcəyini göstərdilər.

Titan astrobiologiya ilə maraqlanan bir nümunə aydır. Günəş Sistemimizdə Avropa və Enceladus eyni şəkildə maraqlanır. Həqiqətən də, Enceladusun yaşayış üçün bütün tələbləri var (69). Nəhəng planetlərin peyklərinin ilkin planetdən gelgit istiləşməsi ilə istiləşə biləcəyi və fotosintezi gücləndirmək üçün mərkəzi ulduzdan kifayət qədər işıq ala biləcəyi çoxdan qəbul edilmişdir (70). Bu, nəhəng ekzoplanetlərin orbitində yaşaya biləcək aylar üçün bir model təmin edir (71).

Nəticə

Məlum ekzoplanetlərin və ekzomonların sayı artdıqca, şübhəsiz ki, müxtəlif dərəcədə Yerə bənzəyən dünyalar tapacağıq. Yerdəki həyat anlayışımıza əsaslanaraq, bu uzaq dünyalardakı həyat imkanları haqqında fikir yürütmək üçün bir yoxlama siyahısı təqdim edə bilərik. ( i ) -15 ° C ilə 122 ° C arasındakı temperatur və ümumi təzyiq suyun maye suyunu sabit saxlayacaq qədər yüksəkdirmi ( P >.00.01 atmosfer)? ( ii ) Dünya qurudursa, ildə bir neçə gün yağış, sis, qar və ya RH>80%-dən çox olurmu? ( iii ) Adekvat işıq və ya geotermal enerji mənbələri varmı - ulduzdan olan məsafə ilə müəyyən edilən işıq, toplu sıxlıqla hesablanan geotermal enerji? ( iv) UV və ionlaşdırıcı radiasiya mikrob tolerantlığının (çox yüksək) həddindən aşağıdırmı? ( v ) Bioloji cəhətdən mövcud azot mənbəyi varmı? ( vi ) Əgər O 2 0,01 atmosferdən artıq olduqda kompleks həyat ola bilər və O 2- nin olması Yerə bənzər dünyalarda fotosintez həyatın inandırıcı göstəricisidir.