A possibilidade de vida em planetas aquáticos

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

A maioria dos planetas que conhecemos são maiores em massa do que a Terra, mas menos do que Saturno. Na maioria das vezes, entre eles existem "mini-netunos" e "superterras" - objetos algumas vezes mais massivos que o nosso planeta. As descobertas dos últimos anos dão cada vez mais bases para acreditar que as super-Terras são planetas cuja composição é muito diferente da nossa. Além disso, descobriu-se que os planetas terrestres em outros sistemas provavelmente diferem da Terra em elementos e compostos leves muito mais ricos, incluindo a água. E esse é um bom motivo para se perguntar se eles estão preparados para a vida.

As diferenças mencionadas entre a ex-Terra e a Terra são explicadas pelo fato de que três quartos de todas as estrelas do Universo são anãs vermelhas, luminárias muito menos massivas do que o Sol. As observações mostram que os planetas ao seu redor costumam estar na zona habitável - isto é, onde recebem quase a mesma energia de sua estrela que a Terra do sol. Além disso, muitas vezes existem muitos planetas na zona habitável das anãs vermelhas: no "cinturão Cachinhos Dourados" da estrela TRAPPIST-1, por exemplo, existem três planetas ao mesmo tempo.

E isso é muito estranho. A zona habitável das anãs vermelhas fica a milhões de quilômetros da estrela, e não 150-225 milhões, como no sistema solar. Enquanto isso, vários planetas ao mesmo tempo não podem se formar em milhões de quilômetros de sua estrela - o tamanho de seu disco protoplanetário não permite. Sim, uma anã vermelha tem menos que uma amarela, como nosso Sol, mas não cem ou mesmo cinquenta vezes.

A situação é ainda mais complicada pelo fato de que os astrônomos aprenderam a "pesar" planetas em estrelas distantes com mais ou menos precisão. E então descobrimos que, se relacionarmos sua massa e tamanho, descobrimos que a densidade desses planetas é duas ou até três vezes menor que a da Terra. E isso é, em princípio, impossível se esses planetas foram formados a milhões de quilômetros de sua estrela. Porque com um arranjo tão próximo, a radiação da luminária deve literalmente empurrar a maior parte dos elementos de luz para fora.

Isso é exatamente o que aconteceu no sistema solar, por exemplo. Vamos dar uma olhada na Terra: ela se formou na zona habitável, mas a água em sua massa não passa de um milésimo. Se a densidade de vários mundos nas anãs vermelhas for duas a três vezes menor, então a água ali não será inferior a 10%, ou até mais. Ou seja, cem vezes mais do que na Terra. Conseqüentemente, eles se formaram fora da zona habitável e só então migraram para lá. É fácil para a radiação estelar privar os elementos leves das zonas do disco protoplanetário próximas à luminária. Mas é muito mais difícil privar um planeta pronto que migrou da parte distante do disco protoplanetário de elementos leves - as camadas inferiores ali são protegidas pelas superiores. E a perda de água é inevitavelmente lenta. Uma super-terra típica na zona habitável não será capaz de perder nem a metade de sua água, e durante toda a existência, por exemplo, do sistema solar.

Portanto, as estrelas mais massivas do Universo costumam ter planetas nos quais há muita água. Isso, muito provavelmente, significa que existem muito mais planetas do que como a Terra. Portanto, seria bom saber se nesses locais existe a possibilidade de surgimento e desenvolvimento de vida complexa.

Precisa de mais minerais

E é aí que começam os grandes problemas. Não existem análogos próximos de superterras com uma grande quantidade de água no sistema solar e, na ausência de exemplos disponíveis para observação, os cientistas planetários literalmente não têm nada para começar. Temos que olhar para o diagrama de fases da água e descobrir quais parâmetros serão para as diferentes camadas dos planetas oceânicos.

Diagrama de fases do estado da água. As modificações no gelo são indicadas por algarismos romanos. Quase todo o gelo da Terra pertence ao grupo I_h, e uma fração muito pequena (na atmosfera superior) - para I_c… Imagem: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Acontece que, se houver 540 vezes mais água em um planeta do tamanho da Terra do que aqui, ele será completamente coberto por um oceano com mais de cem quilômetros de profundidade. No fundo desses oceanos, a pressão será tão grande que começará a se formar gelo dessa fase, que permanece sólido mesmo em temperaturas muito altas, pois a água é mantida sólida pela enorme pressão.

Se o fundo do oceano planetário for coberto por uma espessa camada de gelo, a água líquida ficará privada de contato com rochas sólidas de silicato. Sem esse contato, os minerais nele, de fato, não terão de onde vir. Pior, o ciclo do carbono será interrompido.

Vamos começar com minerais. Sem fósforo, a vida - nas formas que conhecemos - não pode existir, porque sem ele não há nucleotídeos e, portanto, não há DNA. Será difícil sem cálcio - por exemplo, nossos ossos são compostos de hidroxiapatita, que não pode viver sem fósforo e cálcio. Problemas com a disponibilidade de certos elementos às vezes surgem na Terra. Por exemplo, na Austrália e na América do Norte, em várias localidades, houve uma ausência anormalmente longa de atividade vulcânica e nos solos em alguns lugares há uma grave falta de selênio (é parte de um dos aminoácidos, necessário para a vida). A partir disso, vacas, ovelhas e cabras são deficientes em selênio, e às vezes isso leva à morte do gado (a adição de selenito à alimentação do gado nos Estados Unidos e Canadá é até regulamentada por lei).

Alguns pesquisadores sugerem que o mero fator da disponibilidade de minerais deve tornar os oceanos-planetas verdadeiros desertos biológicos, onde a vida, se houver, é extremamente rara. E simplesmente não estamos falando sobre formas realmente complexas.

Ar condicionado quebrado

Além das deficiências minerais, os teóricos descobriram um segundo problema potencial de planetas-oceanos - talvez até mais importante do que o primeiro. Estamos falando de disfunções no ciclo do carbono. Em nosso planeta, ele é a principal razão para a existência de um clima relativamente estável. O princípio do ciclo do carbono é simples: quando o planeta fica muito frio, a absorção do dióxido de carbono pelas rochas diminui drasticamente (o processo de absorção ocorre rapidamente apenas em um ambiente quente). Ao mesmo tempo, os "suprimentos" de dióxido de carbono com erupções vulcânicas estão indo no mesmo ritmo. Quando a ligação do gás diminui e o suprimento não diminui, a concentração de CO₂ aumenta naturalmente. Os planetas, como você sabe, estão no vácuo do espaço interplanetário, e a única forma significativa de perda de calor para eles é sua radiação na forma de ondas infravermelhas. O dióxido de carbono absorve essa radiação da superfície do planeta, razão pela qual a atmosfera está ligeiramente aquecida. Isso evapora o vapor de água da superfície da água dos oceanos, que também absorve a radiação infravermelha (outro gás de efeito estufa). Como resultado, é o CO₂ que atua como o principal iniciador no processo de aquecimento do planeta.

É esse mecanismo que leva ao fato de que as geleiras da Terra acabam mais cedo ou mais tarde. Ele também não permite que sobreaqueça: em temperaturas excessivamente altas, o dióxido de carbono é mais rapidamente ligado às rochas, após o que, devido à tectônica das placas da crosta terrestre, eles gradualmente afundam no manto. Nível de CO₂cai e o clima fica mais frio.

A importância desse mecanismo para o nosso planeta dificilmente pode ser superestimada. Imagine por um segundo o colapso de um ar condicionado de carbono: digamos, os vulcões pararam de entrar em erupção e não liberam mais dióxido de carbono das entranhas da Terra, que antes desciam ali com as placas continentais antigas. A primeira glaciação se tornará literalmente eterna, porque quanto mais gelo no planeta, mais radiação solar ela reflete para o espaço. E uma nova porção de CO₂ não será capaz de descongelar o planeta: ele não terá de onde vir.

É exatamente assim que, em teoria, deveria ser nos planetas-oceanos. Mesmo que a atividade vulcânica às vezes possa romper a camada de gelo exótico no fundo do oceano planetário, não há nada de bom nisso. Na verdade, na superfície do mundo marinho, simplesmente não existem rochas que possam reter o excesso de dióxido de carbono. Ou seja, pode começar seu acúmulo descontrolado e, consequentemente, o superaquecimento do planeta.

Algo semelhante - verdade, sem nenhum oceano planetário - aconteceu em Vênus. Também não há placas tectônicas neste planeta, embora não se saiba bem por que isso aconteceu. Portanto, erupções vulcânicas ali, às vezes rompendo a crosta, colocam muito dióxido de carbono na atmosfera, mas a superfície não consegue retê-lo: as placas continentais não afundam e as novas não sobem. Portanto, a superfície das lajes existentes já limitou todo o CO₂, que poderia e não pode absorver mais, e é tão quente em Vênus que o chumbo sempre permanecerá um líquido lá. E isso apesar do fato de que, de acordo com a modelagem, com a atmosfera da Terra e o ciclo do carbono, este planeta seria um gêmeo habitável da Terra.

Existe vida sem ar condicionado?

Os críticos do "chauvinismo terrestre" (a posição de que a vida só é possível em "cópias da Terra", planetas com condições estritamente terrestres) imediatamente fizeram a pergunta: por que, de fato, todos decidiram que os minerais não seriam capazes de romper um camada de gelo exótico? Quanto mais forte e impenetrável for a tampa sobre algo quente, mais energia se acumula sob ela, que tende a estourar. Aqui está a mesma Vênus - placas tectônicas não parecem existir, e o dióxido de carbono escapou das profundezas em tais quantidades que não há vida nele no sentido literal da palavra. Consequentemente, o mesmo é possível com a remoção de minerais para cima - as rochas sólidas durante as erupções vulcânicas caem completamente para cima.

Mesmo assim, outro problema permanece - o “ar condicionado quebrado” do ciclo do carbono. Um planeta oceânico pode ser habitável sem ele?

Existem muitos corpos no sistema solar nos quais o dióxido de carbono não desempenha de forma alguma o papel do principal regulador do clima. Aqui está, digamos, Titã, uma grande lua de Saturno.

Titânio. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universidade de Nantes, Virginia Pasek, Universidade do Arizona

O corpo é insignificante em comparação com a massa da Terra. No entanto, ele foi formado longe do Sol, e a radiação do luminário não "evaporou" dele os elementos leves, incluindo o nitrogênio. Isso dá a Titã uma atmosfera de nitrogênio quase puro, o mesmo gás que domina nosso planeta. Mas a densidade de sua atmosfera de nitrogênio é quatro vezes maior que a nossa - com a gravidade ela é sete vezes mais fraca.

À primeira vista, o clima de Titã, há uma sensação constante de que é extremamente estável, embora não haja nenhum condicionador de ar "carbono" em sua forma direta. Basta dizer que a diferença de temperatura entre o pólo e o equador de Titã é de apenas três graus. Se a situação fosse a mesma na Terra, o planeta seria muito mais povoado e geralmente mais adequado para a vida.

Além disso, cálculos de vários grupos científicos mostraram: com uma densidade da atmosfera cinco vezes maior que a da Terra, ou seja, um quarto maior do que em Titã, mesmo o efeito estufa do nitrogênio sozinho é suficiente para que as flutuações de temperatura caiam a quase zero. Em tal planeta, dia e noite, tanto no equador quanto no pólo, a temperatura seria sempre a mesma. A vida terrena só pode sonhar com tal coisa.

Planetas-oceanos em termos de densidade estão apenas no nível de Titã (1, 88 g / cm³), e não na Terra (5, 51 g / cm³). Digamos que três planetas na zona habitável TRAPPIST-1 a 40 anos-luz de nós tenham uma densidade de 1,71 a 2,18 g / cm³. Em outras palavras, muito provavelmente, esses planetas têm densidade de nitrogênio mais do que suficiente para ter um clima estável devido apenas ao nitrogênio. O dióxido de carbono não pode transformá-los em Vênus em brasa, porque uma massa realmente grande de água pode ligar muito dióxido de carbono, mesmo sem qualquer placa tectônica (o dióxido de carbono é absorvido pela água, e quanto maior a pressão, mais ele pode contê-lo)

Desertos de alto mar

Com hipotéticas bactérias extraterrestres e arquéias, tudo parece simples: elas podem viver em condições muito difíceis e para isso não precisam de muitos elementos químicos em abundância. É mais difícil com plantas e uma vida altamente organizada vivendo às suas custas.

Portanto, os planetas oceânicos podem ter um clima estável - muito provavelmente mais estável do que a Terra. Também é possível que haja uma quantidade perceptível de minerais dissolvidos na água. E, no entanto, a vida lá não existe, de forma alguma, entrudo.

Vamos dar uma olhada na Terra. Exceto pelos últimos milhões de anos, seu terreno é extremamente verde, quase desprovido de manchas marrons ou amarelas de desertos. Mas o oceano não parece nem um pouco verde, exceto em algumas zonas costeiras estreitas. Por que é que?

O fato é que em nosso planeta o oceano é um deserto biológico. A vida requer dióxido de carbono: ela "constrói" biomassa vegetal e somente a partir dela pode ser alimentada a biomassa animal. Se houver CO no ar ao nosso redor₂ mais de 400 ppm como está agora, a vegetação está florescendo. Se fosse menos de 150 partes por milhão, todas as árvores morreriam (e isso poderia acontecer em um bilhão de anos). Com menos de 10 partes de CO₂ por milhão todas as plantas morreriam em geral, e com elas todas formas de vida realmente complexas.

À primeira vista, isso deveria significar que o mar é uma extensão real para a vida. Na verdade, os oceanos da Terra contêm cem vezes mais dióxido de carbono do que a atmosfera. Portanto, deve haver muito material de construção para as plantas.

Na verdade, nada está mais longe da verdade. A água nos oceanos da Terra tem 1,35 quintilhão (bilhão de bilhões) de toneladas, e a atmosfera tem pouco mais de cinco quatrilhões (milhões de bilhões) de toneladas. Ou seja, há visivelmente menos CO em uma tonelada de água.₂do que uma tonelada de ar. As plantas aquáticas nos oceanos da Terra quase sempre têm muito menos CO₂ à sua disposição do que os terrestres.

Para piorar as coisas, as plantas aquáticas só têm uma boa taxa metabólica em água quente. Ou seja, nele, CO₂ menos ainda, porque sua solubilidade em água diminui com o aumento da temperatura. Portanto, as algas - em comparação com as plantas terrestres - existem em condições de deficiência colossal de CO constante.₂.

É por isso que as tentativas dos cientistas de calcular a biomassa de organismos terrestres mostram que o mar, que ocupa dois terços do planeta, contribui de forma insignificante para a biomassa total. Se tomarmos a massa total de carbono - o material chave na massa seca de qualquer criatura viva - os habitantes da terra, então é igual a 544 bilhões de toneladas. E nos corpos dos habitantes dos mares e oceanos - apenas seis bilhões de toneladas, migalhas da mesa do mestre, um pouco mais de um por cento.

Tudo isso pode levar à opinião de que, embora a vida nos planetas-oceanos seja possível, será muito, muito feia. A biomassa da Terra, se fosse coberta por um oceano, todas as outras coisas sendo iguais, seria, em termos de carbono seco, apenas 10 bilhões de toneladas - cinquenta vezes menos do que é agora.

No entanto, mesmo aqui é muito cedo para acabar com os mundos aquáticos. O fato é que já a uma pressão de duas atmosferas, a quantidade de CO₂, que pode se dissolver na água do mar, mais do que o dobro (para uma temperatura de 25 graus). Com atmosferas quatro a cinco vezes mais densas que a da Terra - e isso é exatamente o que você esperaria em planetas como TRAPPIST-1e, ge f - pode haver tanto dióxido de carbono na água que a água dos oceanos locais começará a se aproximar o ar da Terra. Em outras palavras, as plantas aquáticas em planetas e oceanos encontram-se em condições muito melhores do que em nosso planeta. E onde há mais biomassa verde e os animais têm uma melhor base alimentar. Ou seja, ao contrário da Terra, os mares dos planetas-oceanos podem não ser desertos, mas oásis de vida.

Planetas sargaços

Mas o que fazer se o planeta oceano, por engano, ainda tiver a densidade da atmosfera terrestre? E nem tudo é tão ruim aqui. Na Terra, as algas tendem a se prender ao fundo, mas onde não há condições para isso, verifica-se que as plantas aquáticas podem nadar.

Algumas das algas sargassum usam sacos cheios de ar (eles se assemelham a uvas, daí a palavra "sargasso" em nome do Mar dos Sargaços) para fornecer flutuabilidade e, em teoria, isso permite que você tome CO₂ do ar, e não da água, onde é escasso. Devido à sua flutuabilidade, é mais fácil para eles fazerem a fotossíntese. É verdade que essas algas se reproduzem bem apenas em temperaturas bastante altas da água e, portanto, na Terra, elas são relativamente boas apenas em alguns lugares, como o Mar dos Sargaços, onde a água é muito quente. Se o planeta oceano estiver quente o suficiente, mesmo a densidade atmosférica da Terra não será um obstáculo intransponível para as plantas marinhas. Eles podem muito bem tomar CO₂ da atmosfera, evitando os problemas de baixo dióxido de carbono em água quente.

Sargasso algas. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Curiosamente, algas flutuantes no mesmo Mar dos Sargaços dão origem a todo um ecossistema flutuante, algo como uma "terra flutuante". Ali vivem caranguejos, para os quais a flutuabilidade das algas é suficiente para se moverem em sua superfície como se fosse terra. Teoricamente, em áreas calmas do planeta oceano, grupos flutuantes de plantas marinhas podem desenvolver vida bastante "terrestre", embora você não encontre terra lá.

Verifique seu privilégio, terráqueo

O problema de identificar os lugares mais promissores para a busca de vida é que, até agora, temos poucos dados que nos permitiriam identificar os portadores de vida mais prováveis entre os planetas candidatos. Por si só, o conceito de "zona habitável" não é o melhor assistente aqui. Nele, esses planetas são considerados adequados para a vida, pois recebem de sua estrela uma quantidade de energia suficiente para sustentar reservatórios de líquido pelo menos em uma parte de sua superfície. No sistema solar, tanto Marte quanto a Terra estão na zona habitável, mas no início a vida complexa na superfície é de alguma forma imperceptível.

Principalmente porque este não é o mesmo mundo que a Terra, com uma atmosfera e hidrosfera fundamentalmente diferentes. A representação linear no estilo de "o planeta-oceano é a Terra, mas apenas coberto de água" pode nos levar à mesma ilusão de que no início do século 20 existia sobre a adequação de Marte para a vida. Os oceanos reais podem diferir agudamente de nosso planeta - eles têm uma atmosfera completamente diferente, diferentes mecanismos de estabilização do clima e até mesmo diferentes mecanismos para fornecer dióxido de carbono às plantas marinhas.

Uma compreensão detalhada de como os mundos aquáticos realmente funcionam nos permite entender com antecedência o que a zona habitável será para eles e, assim, abordar rapidamente as observações detalhadas de tais planetas em James Webb e outros grandes telescópios promissores.

Resumindo, não se pode deixar de admitir que até muito recentemente nossas idéias sobre quais mundos são realmente habitados e quais não são, sofreram muito com o antropocentrismo e o geocentrismo. E, como agora se constata, do "sushcentrismo" - a opinião de que se nós próprios surgimos na terra, então ela é o lugar mais importante no desenvolvimento da vida, e não apenas em nosso planeta, mas também em outros sóis. Talvez as observações dos próximos anos não deixem pedra sobre pedra deste ponto de vista.