Многое из того, что мы видим за окном, без появления жизни на Земле около четырех миллиардов лет назад было бы невозможно. Небо, как считается, было затянуто оранжевой дымкой от продуктов химических реакций атмосферного метана. 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.
Все это вызывает серьезные вопросы у астрономов. При наблюдении других экзопланет — будет ли картина различаться для условной планеты типа Земли, но без жизни, и для такой же планеты, но с уже возникшей жизнью? Ряд исследователей даже предполагали, что если бы жизнь у нас не возникла, современная Земля не была бы жизнепригодной даже потенциально. Условия, нужные для поддержания жизни, по ним, поддерживаются самой жизнью — например, работой самых разных типов микроорганизмов. Подобные взгляды часто называют «гипотезой Гайи»: в них планета рассматривается как нечто единое, где деятельность жизни позволяет параметрам мира сохраняться стабильными, что важно и для долгосрочного сохранения самой этой жизни.
Авторы новой работы, текст которой 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 итоге они пришли к достаточно неожиданному выводу, что для сохранения жизнепригодных условий на планете нашего типа жизнь не нужна. Среди их ключевых 19 признаков только один существенно отличался для необитаемой Земли — наличие в атмосфере кислорода, которого без фотосинтеза ожидаемо не было. Наличие или отсутствие кислорода должно быть хорошо отличимо по спектрам экзопланет уже с телескопами 2040-х годов.
А вот остальные параметры в расчетах авторов оказались на удивление устойчивыми. За 4,5 миллиарда смоделированных лет они изменились достаточно умеренно, сохраняя потенциальную жизнепригодность симулированной планеты. Исследователи делают из этого вывод, что гипотеза Гайи в общем виде неверна. Они приводят такие примеры ее неправоты как современный морской планктон и антропогенное глобальное потепление. После своей смерти планктонные организмы уносят дефицитные в океане вещества с собой на дно, откуда те не возвращаются, подрывая экологическую стабильность морей и создавая в них обширные биологические пустыни.
Это одна из причин, по которой биомасса в морях в несколько раз меньше, чем на суше, хотя океан занимает намного большую площадь. Потепление, по мысли авторов, тоже вредно для планеты, хотя его причина тоже жизнь, на сей раз разумная. Оба примера, аргументируют ученые, показывают, что жизнь на длительных отрезках сама может вредить своему будущему выживанию.
В работе есть ряд допущений, ставящих ее выводы под вопрос. Например, исследователи посчитали, что на исходно безжизненной Земле равновесная температура должна быть около ноля по Цельсию, но при этом все же выше той, что нужна для глобального оледенения. Однако еще климатолог Михаил Будыко полвека назад расчетно показал, что при суше, расположенной в низких широтах, даже падение температур до средних +6 должно порождать глобальное оледенение. В то же время из геологических данных известно, что никаких следов оледенения на древней Земле до 2,4 миллиардов лет назад нет вовсе. Это вызывает сомнения в том, что расчеты в новой работе вполне корректны.
Вывод авторов о том, что альбедо Земли без жизни и жизнью не будет меняться, тоже выглядит небесспорными. До появления жизни наша планета получала намного меньше солнечного излучения, чем сегодня (Солнце тогда грело на десятки процентов слабее), но не знала оледенений. До появления фотосинтезирующей жизни, активно связывающей парниковые газы, ледников здесь не было. Если бы она не возникла, их не было и сегодня, как и настолько широко распространенного снежного покрова. Это должно было серьезно снизить отражающую способность планеты (альбедо), один из 19 параметров, рассматриваемых в работе, причем несомненно пригодный для отслеживания из других планетных систем.
Вызывают вопрос и контрпримеры, приведенные исследователями к гипотезе Гайи (хотя та имеет свои слабости). Например, планктон захоранивает после своей смерти вещества на дне океана только в сегодняшних, глубоко нетипичных для Земли условиях холодных глубин (до +4) океана с высоким pH. До последних миллионов лет, когда планета имела типичную для нее более высокую температуру, дно океанов было намного теплее (до +20 в мезозое), pH воды там был ниже, отчего останки планктона на дне активно растворялись, возвращая часть поглощенных ими микроэлементов в биологический оборот. Неудивительно, что палеонтология фиксирует и намного более богатую жизнь в морях той эпохи. Губительность антропогенного глобального потепления плохо сочетается с тем, что оно вызвало рекордный рост биомассы на планете.
В то же время сама идея расчета параметров нашего мира до и после появления жизни, бесспорно, интересна с научной точки зрения. Новые исследования по этой теме позволят нам извлечь больше информации о других мирах после появления нового поколения «экзопланетных» телескопов.