Укрощение кислорода и подводные камни терраформирования

Терраформирование — одна из самых долговечных (но не самых древних) идей в научной фантастике. Не подвергается сомнению, что скалистые планеты у других звёзд обживаемы, при условии, что на них есть гидросфера и атмосфера, и залог колонизации этих миров — приближение их биохимических, геохимических и климатических характеристик к земным. Более того, в фантастике рубежа XIX и XX веков, вдохновлённой мечтами об обитаемости Марса (Уэллс и Берроуз) не подвергается сомнению, что марсиане свободно дышали бы на Земле без средств жизнеобеспечения, а на своей планете даже искусственно поднимали бы уровень кислорода при помощи специальных атмосферных фабрик. Один из самых зрелищных эпизодов терраформирования Марса в кинофантастике — это финал фильма «Вспомнить всё» (1990). Но уже в книге «Голубая точка» Карла Сагана, оригинал которой вышел в 1996 году, терраформирование Венеры описывается как экологическая катастрофа, поскольку резкое и даже поступательное насыщение любой планеты газообразным кислородом и водяным паром приведёт к фундаментальной перестройке условий на поверхности планеты и, возможно, в её глубинах. С накоплением данных об экзопланетах (в основном эта информация собрана космическими телескопами Kepler, TESS и Cheops) требуется уточнить, каковы приемлемые рамки увлажнения и оксигенации экзопланеты, чтобы на ней могла существовать жизнь. В этой статье будет рассмотрено, сколько кислорода действительно нужно для жизни, каковы риски дефицита или избытка кислорода в атмосфере, а также какие факты об этом уже известны из изучения экзопланет.    

До человеческой колонизации других планет или спутников ещё очень далеко. Предметные исследования (в том числе, агрохимические) сейчас ведутся только относительно терраформирования Марса, о чём я рассказывал в посте «В ожидании зелёного утра». Первые колонии могут развиваться под герметичными куполами на поверхности планеты или в специально герметизированных и приспособленных для жизни пещерах. Тем не менее, переселение на другие планеты может стать массовым и привлекательным лишь при условии, что дыхание, питание и работа там будут не менее безопасны, чем на Земле.

Британский исследователь Мартин Дж. Фогг (род. 1960), подробно разбирающий проблему терраформирования у себя на сайте и ещё в 1995 году написавший об этом книгу, подразделяет все планеты на три категории по степени их пригодности для обитания:

• Жизнепригодная планета. В таком мире мы могли бы выйти из звездолёта без скафандра и объявить, что планета готова для заселения. Колонизация такой планеты должна быть сопоставима по сложности с освоением Австралии для британцев в XVIII веке.  

• Биосовместимая планета. Для такой планеты характерны благоприятные физические и химические показатели: тектоническая стабильность, жидкая вода на поверхности, кларки химических элементов, близкие к земным. Если засеять такую планету биоматериалом, то на ней могла бы сформироваться сложная жизнь, подобная земной.

• Удобная для терраформирования планета. Это планета, которую можно сравнительно ограниченными ресурсами перевести в категорию биосовместимых. Предполагается, что доставить эти ресурсы на неё мог бы наш звездолёт или подготовительная роботизированная экспедиция.

Жизнепригодная планета, фактически, находится в состоянии «заезжай и живи». Прежде всего, на ней нет недостатка в кислороде и воде. Правда, вода может быть преимущественно солёной или быть заключена в пещерах или ледниках, а атмосфера – содержать не слишком много, но и не мало кислорода (в пределах от 19,5% до 23,5%). Мы вполне сможем дышать в атмосфере с высоким содержанием аргона или гелия. Согласно исследованию 2022 года, экзопланеты с гелиево-водородными атмосферами могут быть довольно типичны. Тогда как смешивание водорода с кислородом при терраформировании подобной планеты приводило бы к образованию опасных гремучих газов, для нас была бы вполне приемлема атмосфера, более чем на 70% состоящая из гелия.

Биосовместимая планета (или спутник) — значительно более зыбкое и интересное явление. Какие именно условия должны существовать в таком мире, чтобы он был пригоден для жизни, но при этом не обладал собственной жизнью и позволил бы быстро и в щадящем режиме перенастроить экологию на земные условия. Как известно, уровень кислорода на Земле поднимался постепенно, что не мешало развитию примитивной жизни. Какие условия должны сложиться, чтобы на планете началось формирование биосферы? Например, являются ли «биосовместимыми» спутники Юпитера и Сатурна Европа и Энцелад?

Работа по подготовке планеты к жизни (создание первичной биосферы) в научной литературе называется «экопоэз» (ecopoesis). Вероятно, создание биосферы должно начинаться с наиболее примитивных организмов (бактерий и архей). Озоновый слой образовался на нашей планете около 1 миллиарда лет назад, когда содержание кислорода в атмосфере уже существенно возросло. Озоновый слой защищает планету от жёсткого ультрафиолетового излучения, но некоторые экстремофилы в нём не нуждаются. В принципе, экстремофилы — как раз та биологическая затравка, которая позволит начать терраформирование любой биосовместимой планеты. Но «естественное» формирование биосферы происходит слишком медленно в сравнении с потребностями колонизации, а также потенциально легко может выйти из-под контроля. Уже известно, что атмосферный озон присутствует и на Марсе, и на Венере (прежде всего, в полярных областях), но он не образует сплошного слоя. Поэтому, если спектральный анализ покажет наличие озона в атмосфере экзопланеты, этот газ ещё нельзя считать биомаркером.

Кислород как биомаркер

Мы привыкли считать кислород биомаркером, так как он выделяется при фотосинтезе, в процессе питания растений (зелёные растения связывают углекислый газ в виде сахаров под действием солнечного света). Соответственно, планета с высоким содержанием кислорода в атмосфере сразу рассматривается как биосовместимая и удобная для колонизации.

В 2021 году учёные под руководством Джошуа Криссансена-Тоттона из Калифорнийского университета в Санта-Крусе построили модель, демонстрирующую три сценария, при которых планета земного типа остаётся безжизненной, несмотря на высокое содержание воды и свободного кислорода.

Три безжизненных расклада

В первом сценарии имеем в атмосфере очень высокий уровень углекислого газа и водяного пара. На планете развивается мощный парниковый эффект, в результате которого на поверхности планеты воды не остаётся, и планета переходит в состояние влажной стратосферы, когда водяной пар в верхних слоях атмосферы постоянно бомбардируется ультрафиолетом и расщепляется на кислород и водород. В результате водород улетучивается в космос, а в облаках сохраняется стабильно высокое содержание кислорода, фиксируемое при спектральном анализе.

Во втором сценарии планета представляет собой «водный мир» — там примерно в 10-200 раз больше воды, чем на Земле. В таких условиях фактически невозможен существующий на Земле кислородный цикл, обеспечивающий циркуляцию кислорода в атмосфере, биосфере и литосфере (по причине доминирования гидросферы). На такой планете вряд ли может существовать привычная нам геологическая активность; вулканы должны существовать на дне океана в виде «чёрных курильщиков» и никак не будут участвовать в связывании атмосферного кислорода.

Третий сценарий — это условная «Дюна», где условия прямо противоположны «водному миру». На экзопланете такого вида очень мало воды, менее трети от земных запасов, и часть этой влаги представляет собой водяной пар. В таком случае ещё на этапе формирования планетарной коры значительная часть воды может оказаться на больших глубинах, в результате чего кислородный цикл на планете также не включится, а условия для влажной стратосферы, напротив, могут сложиться. Спектральный анализ также покажет, что планета обладает атмосферой с высоким содержанием кислорода.

Все эти сценарии демонстрируют абиотические пути образования свободного кислорода, и нам ещё только предстоит разработать методы, которые позволяли бы отличать такую «ложноположительную» обитаемость планеты от реальной. С другой стороны, высокое содержание кислорода в атмосфере, особенно в сценарии водного мира, способствует биосовместимости планеты и серьёзно упрощает её терраформирование.

Роль кислорода в развитии жизни на Земле

В 2021 году вышло исследование, авторы которого подробно рассмотрели изменение уровня кислорода на Земле в период с 2,5 миллиарда лет назад (архей) до 541 миллиона лет назад (кембрийский взрыв). О том, как развивались события в архее, наглядно рассказано здесь, я приведу таймлайн:

Именно в период от 1 до 0,5 миллиарда лет назад кислород стал важной и неотъемлемой частью земной атмосферы, и сложились условия для быстрого развития многоклеточной жизни.

Очевидно, что в протерозое океаны Земли кишели жизнью, которая в биохимическом отношении не сильно отличалась от нас (мы могли бы питаться вендской биотой). Изучая осадочные (органические) породы той эпохи, можно оценить, сколько кислорода тогда было в атмосфере. Протерозой охватывает около миллиарда лет, и на протяжении этой эпохи доза кислорода в атмосфере составляла от 2% до 24% от нынешней, то есть, от 0,5 до 5,5 процентов в целом. По-видимому, мы смогли бы дышать в земной атмосфере не ранее чем в ордовике, то есть, около 500 миллионов лет назад.  

Современные жители Земли потребляют значительно больше кислорода (так как обладают сложным и быстрым обменом веществ). Поэтому, если уровень кислорода в земной атмосфере упадёт ниже 19%, это уже приведёт к недомоганию и будет опасно для здоровья. Однако и повышение уровня кислорода в атмосфере сверх 23% в долгосрочной перспективе может быть опасным. Ниже рассмотрим некоторые нюансы атмосферы с содержанием кислорода выше и ниже 21%.  

Почему именно 21%

В настоящее время объёмная доля кислорода в земной атмосфере составляет около 21%. Несмотря на небольшие вариации в общем объёме кислорода, все млекопитающие адаптировались именно к 21% кислорода в атмосфере. Действительно, по нормам OSHA (американского управления по охране труда) воздух считается обогащённым кислородом, когда доля O₂ в атмосфере превышает 23,5%, а дефицит кислорода возникает при снижении этого уровня ниже 19,5%. Обе ситуации потенциально опасны, но здесь я приведу таблицу, отражающую последствия дефицита кислорода:

Опасность повышенного содержания кислорода недооценена, так как дыхание чистым кислородом при повышенном давлении — часть некоторых профессий и терапевтических методов. Например, чистым кислородом дышат лётчики, чистый кислород используется в качестве ингаляционной поддержки для недоношенных младенцев, применяется для лечения и предотвращения кессонной болезни. Тем не менее, долгосрочное дыхание чистым кислородом может приводить к коллапсу альвеол в лёгких, отслоению сетчатки, судорогам. Кроме того, как известно из истории космонавтики, атмосфера с высоким содержанием кислорода чрезвычайно пожароопасна. Далее обратимся к палеоистории пожаров на Земле.

Пожары в атмосфере с высоким и низким содержанием кислорода

История пожаров на Земле неразрывно связана с историей флоры и фотосинтеза. Горение — это экзотермическая окислительная реакция. Кислород вступает в такую реакцию преимущественно с неметаллами, и при этой реакции выделяется большое количество газообразных оксидов. Оксиды по определению непригодны для дыхания, так как уже являются продуктами реакции с кислородом, а недоокисленные вещества, например моноксид углерода (угарный газ), ещё и смертельно опасны. Растения, как и вся органическая материя, состоят преимущественно из соединений углерода и, следовательно, при горении обугливаются, а полностью сгорая — превращаются в смесь углекислого газа и водяного пара (дым), золу и пепел. Чтобы эта реакция началась, простого присутствия кислорода недостаточно; нужна ещё температура воспламенения, для древесины составляющая около 150°C. Именно при такой температуре тлеет древесный уголь в костре. Для активного горения с выделением густого дыма в современной земной атмосфере температура должна быть не менее 260°C.

Таким образом, при сравнительно низком содержании кислорода в атмосфере горение может оказаться невозможным, но сложатся условия, допускающие гниение и тление. Также на активность горения и распространение огня влияет гравитация и атмосферное давление. Опыты по получению огня в условиях микрогравитации (на МКС) ведутся с 2008 года. Искры свободно плавают в невесомости, а пламя приобретает не вытянутую, а округлую форму:

Логично предположить, что пожаров на Земле не было, как минимум, до выхода флоры на сушу (псилофиты стали обживаться на суше в конце силура — начале девона, то есть, около 430 миллионов лет назад). Более древние растения, вероятно, обитали на суше ещё раньше, в ордовике, порядка 470 миллионов лет назад. Псилофиты дали начало папоротникам, из которых в карбоне (около 345 миллионов лет назад)  образовались массивные залежи каменного угля. Само накопление каменноугольных пород (от бурого лигнита до чёрного блестящего антрацита) было возможно именно при невысоком содержании кислорода, особенно растворённого в воде, что позволяло гниющим останкам растений фоссилизироваться именно в виде угля. Однако наряду с этими видами угля также известен фюзен — ископаемый древесный уголь. Он отличается от каменного угля как по плотности, так и визуально, образует в нём прослойки, тем самым позволяя судить, когда на Земле начались лесные пожары. 

В течение девонского периода на Земле на встречных курсах шли два взаимодополняющих процесса: первые леса покрывали всё большие площади суши, из-за чего возрастала вероятность их воспламенения от молний, а сами растения постепенно насыщали атмосферу свободным кислородам. Древнейшим образцам фюзена около 400 миллионов лет и, судя по анализу этих пластов, на момент их образования доля кислорода в атмосфере составляла около 16%. Вероятность пожара остаётся низкой в атмосфере, содержащей до 19% кислорода, на отрезке от 19% до 23% кислорода быстро растёт, а затем растёт уже медленнее. Выход на плато происходит примерно при 30% кислорода в атмосфере. 

В отложениях каменноугольного периода объёмная доля фюзена относительно общего количества угля составляет 10-20%, что указывает на масштабные и долгосрочные лесные пожары. Одновременно нарастала эффективность фотосинтеза, что привело к значительно более сильной оксигенации атмосферы, чем сегодня. Такие условия привели к расцвету гигантских насекомых, в особенности, стрекозообразных меганевр. Возможно, размер насекомых коррелирует с содержанием кислорода в атмосфере, поскольку у насекомых нет лёгких, а дыхание обеспечивается через разветвлённую систему трахей — трубочек, доставляющих кислород к органам и тканям. Следовательно, чрезмерно крупные насекомые с длинными трахеями просто задохнутся, но в атмосфере с высоким содержанием кислорода членистоногие могут «вырасти» сильнее.    

 В триасовом периоде в атмосфере содержалось, как минимум, 26% кислорода, и эта величина могла доходить до 28%. Далее доля кислорода постепенно снижалась и достигла современных 21% примерно в эоцене (около 50 миллионов лет назад).

Ложноположительная кислородная атмосфера

Во Вселенной кислород — третий по содержанию химический элемент после водорода и гелия. Соответственно, много кислорода должно содержаться в протопланетных облаках и даже в атмосфере (внешних слоях) древних звёзд, что недавно удалось подтвердить специалистам из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Так, молекулярный кислород (именно такой, каким мы дышим) определённо присутствует в Туманности Ориона и в атмосфере двойной звезды Ро Змееносца. Как было рассмотрено выше, поблизости от звёзд (до снеговой линии) должны быть распространены каменистые планеты с влажной стратосферой. Влажная стратосфера на таких планетах насыщена остаточным кислородом от расщепления водяного пара ультрафиолетом. Следовательно, на таких планетах также может формироваться озоновый слой (сплошной или «лоскутный»), не гарантирующий их обитаемости и жизнепригодности. Однако эволюция Земли пошла по существенно иному сценарию, и абиотического кислорода в земной атмосфере практически не было и нет. Но в заключительной части этой статьи давайте поговорим именно об абиотических (литосферных) источниках атмосферного кислорода.  

В земной коре кислород занимает первое место по содержанию (около 49%). В горных породах он связан в виде разнообразных оксидов (песок), гидроксидов (бокситы), кристаллогидратов (гипс) и других соединений. При этом пока остаётся дискуссионным вопрос о том, какова доля кислорода в породах мантии. Попытки смоделировать в лаборатории состав и вычислить вязкость верхних слоёв мантии предпринимались в Центре физики высоких давлений в Пекине; проблему исследовала группа учёных под руководством Янхао Лина. В 2021 году они пришли к выводу, что при постепенном остужении жидкой магмы до 1000° C и ниже эти породы начинают отвердевать, но те образцы, которые насыщены кислородом, сохраняются в текучем состоянии, будучи даже на 100° C холоднее, чем их бескислородные аналоги.

Эти данные требуют уточнения; в особенности интересно было бы исследовать совместное воздействие свободного кислорода и свободной серы на плавкость пород (сера находится в таблице Менделеева ровно под кислородом, то есть, вероятно, может усиливать данный эффект). Однако предварительно можно предположить, что на планете с высоким содержанием кислорода не только в атмосфере, но и в литосфере, также окажется повышено содержание серы и сернистых газов.

Атмосфера такой планеты может оказаться неприемлемо токсичной для жизни земного типа, а также «пасмурной», серьёзно затрудняющей фотосинтез. Более того, вышеописанный эффект повышения текучести мантии в присутствии избыточного кислорода должен приводить к активному вулканизму, в том числе, такого разломного типа, какой известен по извержению вулкана Лаки в Исландии в 1783-1784 годах. Потенциально возможен такой геохимический состав верхней мантии, при котором вулканы наполняли бы атмосферу не только сернистыми газами, но и заметными объёмами свободного кислорода, но сама планета при этом оставалась бы безводной и бионесовместимой.  

Какой же мир мы ищем

Приходится признать, что мы вынуждены предъявлять целый комплекс требований к потенциально обитаемым планетам, которые могли бы попытаться колонизировать. Нам нужна планета с плотной атмосферой и настолько высоким содержанием кислорода, который обеспечивал бы ровный озоновый слой и защищал нас от жёсткого ультрафиолета. В то же время, те миры, где кислород имеет абиотическое происхождение, нас вряд ли привлекут, так как в долгосрочной перспективе мы не сможем пользоваться в них многими нашими технологиями, сталкиваясь с опасностью неконтролируемых пожаров, либо столкнёмся с гремучей смесью кислорода, серы и вулканизма. Особенно обманчив в данном случае спектральный анализ верхних слоёв экзопланетарных облаков: в погоне за водно-кислородным миром мы можем прибыть на умирающую безводную планету в состоянии влажной стратосферы. При этом важно сознавать, что, тогда как для выживания человека требуется не менее 19% кислорода в атмосфере экзопланеты, простейшая флора могла бы обойтись всего 0,5% кислорода, растворёнными в тёплой воде. Деликатное терраформирование, вероятно, требует отталкиваться от минимального количества кислорода и парниковых газов, объём которых затем может быть доведён до комфортного. Остаётся открытым вопрос, научимся ли мы производить такие метаморфозы за сроки, сопоставимые с человеческой жизнью.