Ipoteza rarității Pământului

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Ipoteza rarității Pământului este o ipoteză, în domeniul planetologiei și astrobiologiei , potrivit căreia apariția vieții multicelulare ( Metazoa ) pe Pământ a necesitat o combinație extrem de puțin probabilă de evenimente și circumstanțe astrofizice și geologice .

Această ipoteză se opune principiului mediocrității (o extensie a principiului copernican ), ai cărui susținători cei mai renumiți sunt Carl Sagan și Frank Drake . [1] O consecință a acestui principiu ar fi că universul ar fi plin de viață, chiar avansat: Pământul ar fi o planetă stâncoasă tipică într-un sistem planetar tipic, situat într-o regiune nespecială a unei galaxii spirale mari, dar comune . Paleontologul Peter Ward și astronomul Donald Brownlee susțin contrariul: planetele, sistemele planetare și regiunile galactice potrivite pentru viața complexă, precum și Pământul, sistemul solar și regiunea noastră a Căii Lactee sunt extrem de rare.

Dacă viața complexă poate evolua doar pe o planetă de tip terestru , atunci ipoteza rarității Pământului rezolvă paradoxul Fermi care afirmă: „Dacă formele de viață extraterestre sunt comune, de ce nu se găsesc?”. [2] Paradoxul se rezolvă afirmând că formele de viață extraterestre nu sunt comune, ci rare.

Raritatea vieții complexe

Conform acestei ipoteze, apariția unor forme de viață complexe ar necesita o serie de circumstanțe fortuite. Între acestea:

Apariția formelor de viață inteligente ar necesita evenimente rare suplimentare.

Ward și Browlee susțin că o planetă stâncoasă poate susține viața complexă dacă multe variabile se încadrează într-un interval restrâns de valori. Universul este suficient de mare pentru a conține multe planete de tip terestru; dar chiar dacă aceste planete există, acestea sunt probabil separate de câteva mii de ani lumină , distanțe de natură să facă comunicarea între orice ființă inteligentă care evoluează pe aceste planete dificilă, dar nu imposibilă. Tocmai faptul că această posibilitate nu este doar reală, ci în mod rezonabil, cu o probabilitate apropiată de certitudine, constituie concluzia faimosului paradox Fermi (explicat prin propoziția sa: dacă universul este plin de extratereștri, unde sunt toți? ), Și este un indiciu în favoarea rarității Pământului. De fapt, de-a lungul liniei sugerate de paradox, o civilizație ipotetică evoluată ar putea coloniza întreaga galaxie în cel mult un milion de ani.

Regiune galactică locuibilă

O planetă nu ar putea să susțină viața într-o regiune lipsită de metale sau în apropierea centrului galaxiei în care sunt prezente niveluri ridicate de radiații (galaxia prezentată este NGC 7331 , adesea considerată „geamănul” Căii Lactee . [3 ] )

Majoritatea universului cunoscut, inclusiv regiuni extinse ale galaxiei noastre, nu pot susține viața complexă. Ward și Brownlee numesc aceste regiuni „zone moarte”. Regiunea galaxiei în care este posibilă dezvoltarea vieții complexe este numită zonă galactică locuibilă . Această zonă este în principal o funcție a distanței de la centrul galactic . De fapt, pe măsură ce distanța crește, se schimbă următorii factori:

  1. Metalicitatea stelelor scade, iar metalele (care în astronomie corespund practic tuturor elementelor, altele decât hidrogenul și heliul ) sunt necesare pentru formarea planetelor terestre .
  2. Radiațiile cu raze X și gamma generate de gaura neagră din centrul galactic și de stelele neutronice scad în intensitate. Acest tip de radiații este considerat periculos pentru formele de viață complexe, astfel încât ipoteza rarității Pământului prezice că universul timpuriu și regiunile galaxiei în care densitatea stelară este mare și supernovele sunt comune nu sunt potrivite pentru dezvoltarea vieții complexe . [4]
  3. Perturbarea gravitațională a planetelor de către stelele din apropiere devine mai puțin intensă pe măsură ce densitatea stelară scade. Astfel, cu cât o planetă este mai departe de centrul galactic, cu atât este mai puțin probabil să fie lovită de un corp ceresc . Un impact suficient de mare poate duce la dispariția tuturor formelor de viață complexe de pe o planetă.

Primul factor exclude zonele exterioare ale unei galaxii, în timp ce al doilea și al treilea exclud regiunile galactice interioare, grupurile globulare și brațele spirale , regiuni în care are loc o formare intensă a stelelor . Trecând de la centrul unei galaxii la periferia sa, capacitatea de a susține o viață complexă crește și apoi scade, astfel încât zona galactică locuibilă are forma unui inel între centru și extremități.

În timp ce un sistem planetar poate fi o zonă favorabilă dezvoltării vieții complexe, evoluția acestuia din urmă necesită ca sistemul să mențină o anumită poziție pentru o anumită perioadă. De exemplu, o stea centrală cu o orbită galactică care o scoate din regiuni cu valori ridicate ale radioactivității, cum ar fi centrul galactic, ar putea fi un candidat. Dacă orbita este excentrică , atunci va intersecta unele brațe ale spiralei, dar dacă în schimb este o orbită perfect circulară și viteza este egală cu viteza de rotație a brațelor, atunci steaua va intra în aceste regiuni doar treptat sau nu le va intersecta niciodată . Din aceste motive, autorii teoriei concluzionează că o stea care susține viața trebuie să aibă o orbită galactică aproape circulară în jurul centrului galaxiei. Sincronizarea necesară a vitezei orbitale cu viteza brațelor poate avea loc numai într-un interval îngust de distanță de centrul galactic. Lineweaver și unii colegi [5] calculează că această zonă locuibilă este un inel cu un diametru cuprins între 7 și 9 KiloParsec care include doar 10% din totalul stelelor Căii Lactee [6] . Conform estimărilor conservatoare ale numărului total de stele ale galaxiei, regiunea locuibilă ar conține 20-40 miliarde de stele. Gonzalez și colab. [7] au propus înjumătățirea acestor valori, estimând că cel mult 5% din stelele Căii Lactee se află în regiunea locuibilă.

Orbita galactică a Soarelui este de fapt aproape perfect circulară în jurul centrului Căii Lactee cu o perioadă de 226 milioane de ani, foarte aproape de perioada de rotație a galaxiei. Cu toate acestea, Maeștrii [8] calculează că orbita Soarelui intersectează un braț al spiralei aproximativ la fiecare 100 de milioane de ani. Dimpotrivă, ipoteza rarității Pământului prezice că Soarele nu a traversat niciodată vreun braț.

O stea centrală cu caracteristicile potrivite

Exobiologii cred în general că steaua centrală a unei planete care găzduiește viață trebuie să aibă o dimensiune adecvată. Stelele mai mari emit multă radiație ultravioletă , ceea ce împiedică dezvoltarea vieții (în afară de microorganismele subterane). Aceste stele au o existență de milioane și nu miliarde de ani, după care explodează ca supernove . Resturile acestei explozii constau din stele de neutroni sau găuri negre care emit cantități intense de raze X și raze gamma. Din aceste motive, planetele care orbitează stele mari, fierbinți sau stele binare care își vor încheia ciclul ca supernove au o existență prea scurtă pentru a permite evoluția vieții.

Exemplul planetei Pământ sugerează că viața complexă necesită apă lichidă , astfel încât planetele potrivite vieții trebuie să orbiteze la o distanță adecvată. Acest concept este baza definiției Goldilocks a zonei sau principiului locuibil (de la care provine termenul Planet Goldilocks ), [9] care are forma unui inel în jurul stelei centrale. Dacă o planetă orbitează o distanță prea mică sau prea mare, temperatura suprafeței este incompatibilă cu starea lichidă a apei (deși poate apărea apă subterană lichidă, așa cum se presupune pentru Europa [10] ). Kasting și colab. (1993) estimează că zona locuibilă pentru sistemul solar se extinde de la 0,95 UA la 1,15 UA distanță de Soare. [11]

Zona locuibilă variază în funcție de tipul și vârsta stelei centrale: în cazul unei stele aparținând secvenței principale , zona se mișcă foarte încet în timp până când steaua devine o pitică albă . Din acest moment, zona locuibilă dispare. În plus, zona locuibilă este strâns corelată cu efectul de seră creat de dioxidul de carbon atmosferic (CO 2 ).

Se presupune că o stea trebuie să aibă planete stâncoase în zona sa locuibilă. Deși regiunea este mai largă în cazul stelelor mai fierbinți, cum ar fi Sirius sau Vega , apar două probleme:

  1. planetele se formează prea aproape pentru a fi în această regiune locuibilă. Deși acest lucru nu împiedică formarea vieții în sateliții naturali ai giganților gazoși, emisiile ultraviolete ar ioniza orice atmosferă planetară.
  2. stelele fierbinți, așa cum am menționat mai sus, au o durată de viață mai scurtă și pot deveni giganți roșii într-un miliard de ani. Această perioadă, scurtă din punct de vedere astronomic, nu este considerată suficientă pentru evoluția vieții în forme avansate.

Aceste considerații conduc la excluderea stelelor masive de la tipurile F6 la tipul O (a se vedea clasificarea stelară ).

Piticii roșii mici, pe de altă parte, au regiuni locuibile cu o rază mică. Această proximitate forțează o planetă să privească întotdeauna o parte spre stea, în timp ce cealaltă parte rămâne permanent în umbră. Cu alte cuvinte, planeta se află într-o rotație sincronă , circumstanță care face ca o parte a planetei să se supraîncălzească, lăsând-o pe cealaltă foarte rece. Planetele dintr-o regiune locuibilă, la mică distanță de stea, prezintă, de asemenea, pericole de izbucnire care ionizează atmosfera și împiedică formele de viață complexe. Susținătorii teoriei rarității Pământului susțin că acest tip de stele trebuie excluse de pe lista celor care pot susține viața, dar unii exobiologi susțin că dezvoltarea vieții este posibilă în anumite circumstanțe. Acest contrast de vederi este esențial pentru ipoteză, deoarece stelele de tip K și M reprezintă 90% din toate stelele.

Susținătorii teoriei speculează că stelele care permit dezvoltarea vieții variază de la tipul F7 la tipul K1. Aceste stele nu sunt comune: stelele de tip G, cum ar fi Soarele, care se află între cele mai fierbinți stele F și cele mai reci stele K reprezintă doar 5% din stelele din Calea Lactee.

Clusterele globulare cu greu ar putea susține viața

Stelele mai vechi, precum uriașii roșii și piticii albi , nu ar fi potrivite pentru viață. Giganții roșii sunt obișnuiți în grupurile globulare și galaxiile eliptice . Piticii albi sunt în mare parte stele pe moarte care au trecut de faza lor de uriaș roșu. Când o stea intră în faza roșie gigant, își poate crește foarte mult raza; o planetă situată anterior în zona locuibilă ar putea, prin urmare, să ajungă supraîncălzită atunci când steaua sa intră în faza roșie gigant (deși alte zone ar putea deveni locuibile).

Producția de energie a unei stele în timpul existenței sale ar trebui să fie constantă; stelele variabile, cum ar fi variabilele cefeide , nu sunt, prin urmare, potrivite pentru viață. Dacă energia unei stele scade brusc, chiar și pentru o perioadă relativ scurtă, apa unei planete ar putea să înghețe. În caz contrar, dacă energia crește, apa conținută în oceane s-ar putea evapora, creând un efect de seră care ar împiedica reformarea oceanelor.

Viața necesită chimie complexă, care la rândul său necesită metalicitate , care este elemente mai grele decât hidrogenul și heliul. Din acest motiv, un sistem planetar care poate susține viața trebuie să aibă o stea bogată în metale. Singurul mecanism cunoscut pentru crearea și dispersia metalelor este explozia unei supernove. Prezența metalelor în stele poate fi identificată prin liniile lor de absorbție , iar studiile au arătat că multe stele au puține metale. Metalicitatea redusă a caracterizat universul când era tânăr, grupuri globulare, alte stele care s-au format în acel moment și stele în majoritatea galaxiilor, cu excepția galaxiilor spirale mari. Stelele bogate în metale ar trebui, așadar, să fie frecvente în periferiile liniștite ale galaxiilor spirale mari, care sunt regiuni locuibile și pentru că au un nivel scăzut de radiații [12] .

Dacă o stea are o metalicitate scăzută, atunci sistemul planetar asociat va fi, de asemenea, sărac în aceste elemente. Pentru a avea planete stâncoase precum Pământul, steaua centrală trebuie să se fi condensat dintr-o nebuloasă bogată în metale. În caz contrar, se pot forma numai giganți gazoși .

Sistemul planetar

Un nor de gaz capabil să creeze o stea ar putea favoriza, de asemenea, formarea de giganți de gaze (numite și planete Jupiter ), cum ar fi Jupiter sau Saturn . Aceste planete nu posedă o suprafață solidă necesară pentru a susține viața (deși sateliții o pot poseda în schimb). Deci, un sistem planetar potrivit vieții ar trebui să fie ca cel solar, cu planete stâncoase interne și gazoase la exterior sau planete gazoase cu sateliți stâncoși.

Impacturi

Unele sisteme planetare, în special în regiunile lor exterioare, au un număr mare de comete și asteroizi care uneori afectează planete. Unele coliziuni sunt adesea extrem de distructive pentru formele de viață complexe, astfel încât aceste impacturi trebuie să fie rare pe parcursul miliardelor de ani cerute de evoluția formelor de viață. Frecvența impacturilor asupra planetelor interioare ar putea fi redusă dacă există planete fără viață la distanța corectă de steaua centrală și cu o masă suficientă pentru a atrage comete și asteroizi sau a perturba orbita lor pentru a o arunca din sistemul planetar.

Un gigant gazos poate ajuta la menținerea vieții, ținând asteroizii departe de planetele care găzduiesc viața, cu toate acestea așa-numiții " Jupiteri fierbinți " ( exoplanete care sunt foarte aproape de steaua lor) pot avea efecte negative.

Datorită câmpului gravitațional , un gigant gazos elimină resturile rezultate din formarea planetară într-o centură similară cu centura Kuiper sau norul Oort prezent în sistemul solar . În acest fel evită bombardamentele de asteroizi către planetele stâncoase interioare. Simulările recente sugerează că situația poate să nu fie la fel de simplă, totuși, întrucât giganții gazoși ar putea contribui și la bombardament. [13]

Perturbarea orbitei

Un gigant gazos nu trebuie să fie prea aproape de corpul ceresc care găzduiește viața, cu excepția cazului în care acest corp este satelitul său. De fapt, perturbațiile gravitaționale ar putea afecta orbitele corpurilor din apropiere.

Dinamica poate produce orbite haotice, în special în sistemele în care există planete mari așezate pe orbite foarte excentrice. [14]

Prin urmare, necesitatea orbitelor stabile exclude sistemele planetare similare cu cele care au fost descoperite în ultimii ani. Se crede că Jupiterii fierbinți s-au format la o distanță mai mare decât ocupă în prezent și au migrat în timp către mai multe orbite interne. În acest proces, ei ar fi deranjat catastrofal orbitele oricărei planete prezente în regiunea locuibilă. [15]

Un sistem planetar potrivit pentru viață ar trebui, de asemenea, să includă cel puțin o planetă mare, dar sistemele cu prea multe Jupiter sau cu o singură planetă Jupiter excesiv masivă tind să fie instabile, iar planetele terestre mai mici riscă să fie scoase din sistem sau să cadă în jos steaua centrală.

Dimensiunea planetei

O planetă prea mică nu poate ține atmosfera mult timp, iar suprafața ei tinde să devină extrem de caldă sau rece. Apa poate să înghețe, să se evapore sau să se descompună sub acțiunea radiațiilor ultraviolete. În toate aceste cazuri existența oceanelor este imposibilă. O astfel de planetă ar avea, de asemenea, tendința de a avea o suprafață accidentată, cu munți mari și canioane adânci. Nucleul planetar se va răci rapid, iar tectonica plăcilor ar putea să nu acționeze mult timp sau să nu existe deloc.

Dacă dimensiunea este de așa natură încât posedă un câmp gravitațional mai mare decât cel al pământului, va atrage mult mai multe corpuri cerești minore spre el. Mai mult, un câmp gravitațional puternic ar face dificilă formarea continentelor și a munților. La limită ar putea fi acoperit complet de un singur ocean.

Satelit grozav

Luna este un satelit natural neobișnuit, deoarece:

  • celelalte planete stâncoase din sistemul solar nu au sateliți ( Mercur și Venus ) sau au corpuri mici, cum ar fi asteroizii capturați ( Marte );
  • în raport cu planeta în jurul căreia orbitează (Pământul) este cel mai mare satelit din sistemul solar, cu excepția lui Charon , care însă nu mai este clasificat ca satelit al lui Pluto .

Așa-numita teorie a impactului gigant presupune că Luna a fost formată de impactul unui corp ceresc de mărimea lui Marte cu Pământul când era foarte tânăr. Acest impact ar fi asigurat Pământului înclinarea axei sale de rotație și o anumită viteză de rotație. [16] Rotația a redus variațiile termice în timpul zilei și a permis fotosinteza . Ipoteza rarității Pământului prezice, de asemenea, că înclinația axei nu trebuie să fie prea mare sau mică (în raport cu planul orbital ). O planetă cu o înclinație mare va avea variații sezoniere foarte intense, în timp ce înclinarea prea mică sau deloc nu ar oferi stimulul variației climatice evoluției vieții. Un satelit mare, cum ar fi Luna, poate acționa și ca giroscop , stabilizând înclinarea orbitală . Fără acest efect, înclinarea ar putea fi haotică, împiedicând formarea vieții.

Fără Lună, mareele ar fi cauzate doar de atracția gravitațională a Soarelui și ar fi foarte modeste. Un satelit mare creează apoi mareele și odată cu ele bazinele de maree care ar fi fost esențiale pentru formarea vieții. [17]

Printre alte efecte, forțele mareelor ​​cresc fenomenele tectonice ale plăcilor în scoarța planetei [ citat ] . Impactul care a format Luna ar fi putut, de asemenea, să inițieze tectonica plăcilor, fără de care scoarța continentală ar fi acoperit întreaga planetă, iar scoarța oceanică nu ar fi existat. Este posibil ca mișcările globale de convecție ale mantalei necesare acestui fenomen să nu fi fost posibile în absența neomogenității. Cu toate acestea, tectonica plăcilor a fost prezentă pe Marte în trecut, chiar dacă planeta nu are aceste mecanisme pentru ao activa. [18]

Dacă un impact uriaș este singura modalitate pentru o planetă stâncoasă de a dobândi un satelit mare, atunci orice planetă din zona locuibilă circumstelară trebuie să se formeze ca o planetă dublă pentru a avea un corp suficient de mare pentru a provoca un impact și a crea un satelit mare. Un astfel de impact nu este neapărat puțin probabil: Edward Belbruno și John Richard Gott III de la Universitatea Princeton sugerează că un corp adecvat pentru un astfel de impact s-ar putea forma în punctele Lagrange ale L4 și L5 ale planetei. [19]

Camp magnetic

O magnetosferă protejează biosfera de vântul solar și de razele cosmice dăunătoare vieții. Magnetosfera este creată dintr-un miez planetar conductiv și masiv format din fier solid și lichid care acționează ca un dinam . Fierul se găsește sub formă lichidă datorită căldurii furnizate de degradarea elementelor radioactive. Dacă viața complexă poate exista doar pe suprafața unei planete înconjurată de o magnetosferă, atunci aceasta necesită ca planeta să conțină elemente radioactive în interiorul ei, cu un timp de înjumătățire suficient de lung pentru a susține magnetosfera pe întreaga durată de timp necesară pentru evoluția viaţă.

Placi tectonice

Tectonica și subducția plăcilor sunt considerate fenomene esențiale pentru dezvoltarea biodiversității pe o planetă

Viața pe o planetă stâncoasă necesită tectonica plăcilor crustei, adică litosfera trebuie să fie formată din plăci enorme care sunt create continuu de-a lungul marginilor lor de materia fluidă conținută în mantaua interioară prin celule de convecție. Marginile, numite zone de subducție , sunt locurile în care plăcile sunt reabsorbite în interiorul planetei.

Aceste fenomene nu pot apărea dacă nu sunt susținute de compoziția chimică a planetei. De fapt, singura sursă de căldură este decăderea radioactivă care apare în adâncuri. Continentele trebuie să fie, de asemenea, formate din roci de granit mai puțin dense care „plutesc” pe roca bazaltică mai densă. Taylor [20] a subliniat că zonele de subducție necesită acțiunea de lubrifiere a apei. Pe Pământ, astfel de zone există doar la fundul oceanelor.

Plăcile tectonice ajută la evoluția formelor de viață complexe din următoarele motive:

  1. ei creează magnetosfera
  2. ele creează și modifică terenurile uscate prin diferențiere magmatică
  3. reglează temperatura atmosferei

Prin conducerea căldurii din interior către suprafață, tectonica de plăci creată prin convecție asigură o planetă cu un miez de fier lichid pe care continuă să-l miște, generând o magnetosferă prin efectul de dinam.

Dacă atmosfera conține gaze cu efect de seră excesiv de scăzute sau prea mari, planeta poate aluneca într-o eră glaciară sau oceanele sale se pot evapora. Unul dintre principalele gaze cu efect de seră de pe Pământ este dioxidul de carbon CO 2 . Tectonica plăcilor pare să joace un rol important într-un mecanism complex care stabilizează temperatura Pământului. Dioxidul de carbon din atmosferă se combină cu apa de ploaie pentru a forma acid carbonic diluat. Aceasta interacționează cu rocile de la suprafață pentru a forma carbonat de calciu CaCO 3 care se așează în cele din urmă pe fundul oceanului și este transportat în interiorul Pământului în zone de subducție. În acest fel, dioxidul de carbon este îndepărtat din atmosferă, iar în interiorul planetei temperaturile și presiunile prezente în manta îl transformă în CO 2 și CaO. Dioxidul de carbon subteran este în cele din urmă returnat în atmosferă prin vulcani .

Există un mecanism de feedback în acest proces care reacționează la o creștere a dioxidului de carbon. Această creștere duce de fapt la o cantitate mai mare de precipitații și la o rată mai mare de dioxid de carbon care este eliminat din atmosferă. Pe măsură ce scade în atmosferă, scade și cantitatea eliminată. Prin urmare, tectonica plăcilor ar regla conținutul de dioxid de carbon din atmosferă, comparativ cu o creștere estimată a energiei emise de Soare cu 25% de când pământul era tânăr. Fără acest efect de reciclare a carbonului în atmosferă, este posibil ca biosfera să nu fi durat mai mult de câteva milioane de ani. Epoca de gheață interferează cu acest mecanism de feedback , blocând ploile.

Chimia atmosferică

Biochimia atmosferică necesită cantități mari de dioxid de carbon și compuși carbonatici, dar dioxidul ar duce la un efect de seră excesiv. Oxigenul atmosferic este necesar pentru a susține metabolismul animalelor terestre și, prin urmare, al vieții inteligente. Prin urmare, fotosinteza trebuie să fi evoluat pentru a transforma tipul de atmosferă de la reducere la oxidare.

Stelele centrale emit inevitabil radiații ultraviolete. Ultravioletele cu lungimi de undă cuprinse între 260 și 290 nm sunt absorbite eficient de acizi nucleici și proteine și sunt letale pentru toate formele de viață terestră. Din fericire, stratul de ozon atmosferic absoarbe radiațiile UV la lungimi de undă cuprinse între 200 și 300 nm. Oxigenul este elementul constitutiv al ozonului și a apărut pentru prima dată când radiațiile UV între 100 și 200 nm au spart moleculele de apă în elementele lor atomice. Când un strat de ozon a fost prezent pentru a permite microorganismelor fotosintetice să evolueze pe suprafața planetei, conținutul de oxigen din atmosferă a continuat să crească prin fotosinteză și se crede că a atins nivelurile actuale în timpul erei cambrene . Așa-numita explozie cambriană ar fi putut necesita în mod necesar o atmosferă bogată în oxigen.

Chiar dacă temperatura unei planete permite prezența apei în stare lichidă, aceasta nu trebuie neapărat să fie prezentă. Planetele interioare ale sistemului solar s-au format cu foarte puțină apă. Pe Pământ, o mare parte din apă ar proveni din impactul asteroizilor înghețați în timpul fazei primordiale de bombardament suferite de planetă acum aproximativ 4,5 miliarde de ani. Gli oceani hanno un ruolo fondamentale nel moderare le oscillazioni stagionali della temperatura: l'elevato calore specifico dell'acqua permette agli oceani di riscaldarsi lentamente durante l'estate e rilasciare questo calore durante l'inverno successivo. Una quantità troppo elevata di acqua, d'altro lato, avrebbe ridotto la terra asciutta disponibile e quindi non sarebbe stata possibile l'esistenza di un meccanismo di regolazione dell'anidride carbonica atmosferica.

Glaciazioni globali

L'evoluzione della vita ha incontrato due importanti ed improvvisi balzi:

  1. la comparsa degli eucarioti unicellulari caratterizzati dagli organuli come il nucleo cellulare ei mitocondri
  2. la comparsa della vita pluricellulare con tessuti biologici e organi specializzati, in particolare animali con gusci e scheletri a base di calcio

Il primo fossile appartenente ad una forma di vita pluricellulare è il biota Ediacarano , risalente a 580 milioni di anni fa. Quindi trascorsero 2 miliardi di anni tra il primo evento e il secondo. Nel frattempo, furono necessari solo circa 400 milioni di anni per l'evoluzione dei primi animali pluricellulari nei dinosauri .

Curiosamente, le due transizioni evoluzionistiche giunsero dopo degli estesi periodi di glaciazione, tali da ritenere che tutto il pianeta fosse ricoperto di ghiaccio (o forse escludendo una ristretta fascia di latitudini attorno all' equatore ). Il ghiaccio avrebbe aumentato il coefficiente di albedo del pianeta, in maniera tale da abbassare la temperatura media globale fino a circa -50 °C. Lo spesso strato di ghiaccio impedì le interazione tra gli oceani e l'atmosfera. Questa situazione viene indicata con il termine Terra a palla di neve .

Durante queste glaciazioni globali l'espansione della vita si ritirò probabilmente in una stretta fascia geografica attorno all'equatore e nelle zone riscaldate dall'attività tettonica come le sorgenti idrotermali sul fondo degli oceani ei vulcani. Fortunatamente le glaciazioni non interferirono con la tettonica a placche e neppure con il vulcanismo . La situazione terminò a causa di un ipotetico aumento di gas serra emessi dai vulcani, con conseguente aumento di temperatura.

Il primo episodio di questo fenomeno, la glaciazione uroniana , avvenne circa 2,4 miliardi di anni fa, tra il periodo Sideraiano e il periodo Rhyaciano nell' era Paleoproterozoica , subito dopo l'apparizione dei primi organismi unicellulari ( eucarioti ) conosciuti. Il secondo episodio, il periodo Cryogeniano avvenne nell' Era Neoproterozoica e durò dagli 850 a 635 milioni di anni fa, terminando 50 milioni di anni prima della comparsa del biota Ediacarano. È tuttora un interrogativo aperto se queste glaciazioni abbiano avuto un qualche effetto nella comparsa della vita complessa. In entrambi gli eventi infatti la vita è ripresa con rinnovato vigore e biodiversità al termine degli stessi. L' esplosione cambriana iniziò 582 milioni di anni fa, quando sono comparsi improvvisamente i fossili di tutti i rappresentanti degli animali noti. Non è ancora noto il motivo o la causa di questo evento, ma è possibile che sia stato generato da una o più "spinte evoluzionistiche".

Rapidi cambiamenti evoluzionistici sono associati anche a glaciazioni minori. La rapida evoluzione degli ominidi , che culminò con la comparsa dell' homo sapiens circa 200 000 anni fa, coincide con le glaciazioni del Quaternario che iniziarono circa 1,5 milioni di anni fa. Inoltre la rivoluzione agricola , durante la quale l' homo sapiens si impose tramite la scoperta della tecnologia, iniziò subito dopo il ritiro dei ghiacci circa 12000 anni fa.

Microorganismi

La vita pluricellulare o complessa non include la maggior parte dei microorganismi . Per questo motivo l'ipotesi della rarità della Terra prevede che la vita a livello microscopico sia molto comune rispetto a quella complessa. Questa parte dell'ipotesi si basa sulla scoperta, avvenuta all'incirca negli anni'80, di organismi detti estremofili che sono in grado di sopravvivere a condizioni estreme, in ambienti eccessivamente caldi, freddi, bui, ad alta pressione, salati o acidi. Alcuni esempi di tali ambienti comprendono rocce situate a diversi chilometri sotto la superficie terrestre, sorgenti idrotermali sul fondo degli oceani e le profondità dei ghiacci antartici . Alcuni di questi organismi sono procarioti e possono ricavare energia da reazioni chimiche inorganiche e non necessitano di luce solare. Alcuni necessitano di ambienti con temperature di 80 °C e prosperano anche oltre i 100 °C. Queste condizioni potrebbero essere state presenti nella Terra primordiale.

Le prove di microorganismi unicellulari sono state trovate in rocce datate circa 3,5 miliardi di anni fa, quindi queste forme di vita primitive hanno impiegato molto tempo per evolversi, una volta che la superficie della Terra si raffreddò a sufficienza. Si pensa quindi che la vita microscopica possa emergere piuttosto velocemente in ambienti con caratteristiche più estese rispetto a quelli compatibili con la vita complessa. Quindi l'universo potrebbe essere abitato principalmente da questo tipo di forma di vita. L'ipotesi della rarità della Terra indica invece che è improbabile lo sviluppo di forme di vita di tipo (dal meno al più raro) Eukaryota , pluricellulare, animale, intelligente.

Equazione della rarità della Terra

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Equazione di Drake .

L'equazione della rarità della Terra è la risposta di Ward e Brownlee all'equazione di Drake e calcola il numero di pianeti di tipo terrestre nella Via Lattea che sostengono forme di vita complesse.

. [21]

Dove:

  • N* è il numero delle stelle nella Via Lattea. Questo numero non è stimato accuratamente perché non è ben stimata la massa della Via Lattea. Si pensa che possa variare da 100 a 500 miliardi di stelle.
  • è il numero medio dei pianeti presenti nella zona abitabile di una stella. Questa zona è piuttosto ristretta, perché è limitata dal requisito che l'acqua sia presente in forma liquida per tutto il tempo necessario all'evoluzione delle forme di vita. Quindi probabilmente è pari al massimo a = 1.

Si pensa che il prodotto di questi due fattori sia pari a . L'ipotesi della rarità della Terra può essere interpretata come l'affermazione che il prodotto di con tutti i fattori seguenti non è maggiore di 10 −10 , e probabilmente è dell'ordine di 10 −12 . In quest'ultimo caso l'equazione fornirebbe un valore di molto basso, dimostrando che esistono pochissimi pianeti abitabili da forme di vita complesse. Ward e Brownlee non hanno effettivamente calcolato il valore di perché il valore di molti fattori può essere solo ipotizzato e non può essere attualmente stimato. Queste difficoltà sorgono dal fatto che l'unico esempio di pianeta terrestre adatto alla vita è proprio la Terra, che orbita attorno ad una stella di classe G2 in una tranquilla periferia di una grande galassia spirale barrata. I fattori sono i seguenti:

  • frazione delle stelle totali che si trovano nella zona galattica abitabile (Ward, Brownlee e Gonzalez stimano un valore di 0,1 [7] )
  • frazione delle stelle totali nella Via Lattea che possiedono pianeti.
  • frazione dei pianeti che sono rocciosi piuttosto che gassosi.
  • frazione dei pianeti abitabili dove si sviluppano forme di vita semplici come i microorganismi. Ward e Brownlee credono che il valore di questo coefficiente non sia piccolo.
  • frazione dei pianeti dove evolvono forme di vita complessa. Per l'80% del tempo trascorso dallo sviluppo di microorganismi sulla Terra, essi sono stati le uniche forme di vita esistenti. Quindi Ward e Brownlee pensano che questa frazione sia molto piccola.
  • frazione dell'intervallo totale di esistenza di un pianeta nel quale è presente la vita complessa. Questa frazione non può essere elevata perché le forme di vita complessa richiedono molto tempo per evolvere. La vita complessa non può perdurare indefinitamente, perché l'energia emessa dalla stella diminuisce gradualmente ed infine la stella potrebbe diventare una gigante rossa, distruggendo tutti i pianeti presenti nella zona abitabile. Inoltre, man mano che aumenta il periodo di tempo, aumenta la possibilità di un'estinzione catastrofica di tutta la vita complessa.
  • frazione dei pianeti abitabili con un grande satellite. Se è verificata la Teoria dell'impatto gigante allora questa frazione è piccola
  • frazione dei sistemi planetari dove sono presenti grandi pianeti gioviani. Il suo valore potrebbe essere elevato
  • frazione dei pianeti dove sono accadute poche estinzioni. Ward e Brownlee pensano che il basso numero di questi eventi che sono accaduti alla Terra dall'esplosione cambriana non è usuale, quindi il valore dovrebbe essere piccolo.

Un valore basso richiede nuovamente dei sistemi planetari stabili, con pianeti esterni orbitanti su orbite quasi circolari, nessuna perturbazione provocata da stelle vicine e nessun oggetto di tipo supernova o simile nelle vicinanze.

Critiche

Le critiche principali a questa ipotesi si basano su varie argomentazioni:

Pianeti esterni al sistema solare

La principale obiezione all'ipotesi si basa sul fatto che è stata teorizzata basandosi su una singola osservazione, ovvero la Terra e le sue forme di vita [ senza fonte ] . Le strumentazioni scientifiche e le tecniche di ricerca non riescono ancora a rilevare la maggior parte dei pianeti extrasolari di dimensioni e massa simili alla Terra. I pianeti extrasolari attualmente scoperti sono nella maggior parte giganti gassosi , perché sono maggiormente rilevabili. Il 24 aprile 2007 gli astronomi hanno tuttavia annunciato la scoperta di un pianeta roccioso che si trova nella regione abitabile di una stella appartenente alla sequenza principale , Gliese 581 c . Tuttavia con le tecnologie attuali è molto difficile stabilire la composizione dell'atmosfera di un pianeta roccioso e quindi la sua abitabilità [22] . Anche se l'ipotesi discute molte condizioni che sembrano favorevoli alla comparsa e allo sviluppo di vita in certe condizioni tipiche del nostro pianeta, la validità dell'ipotesi resta aperta fino a quando non siano stati trovati altri mondi simili alla Terra.

Biologia evolutiva

L'ipotesi si basa sulla fondamentale asserzione che la vita complessa è rara perché può evolvere solo sulla superficie di un pianeta di tipo terrestre o su un satellite naturale adatto. Alcuni biologi come Jack Cohen pensano che questa affermazione sia troppo restrittiva. I pianeti di tipo terrestre potrebbero essere rari, ma in altri ambienti potrebbero comparire forme di vita complesse non a base di carbonio.

David Darling

Per Darling, quella della rarità della Terra non è una ipotesi e neppure una previsione, ma semplicemente una descrizione di come la vita è nata sulla Terra [23] . Da questo punto di vista Ward e Brownlee non avrebbero fatto altro che selezionare i fattori maggiormente favorevoli alla loro teoria.

( EN )

«What matters is not whether there's anything unusual about the Earth; there's going to be something idiosyncratic about every planet in space. What matters is whether any of Earth's circumstances are not only unusual but also essential for complex life. So far we've seen nothing to suggest there is.»

( IT )

«Non è importante se c'è qualcosa di insolito nella Terra; esiste qualche idiosincrasia in qualunque pianeta nello spazio. Quello che importa è se qualche circostanza presente sulla Terra non è solo insolita ma è anche essenziale per la vita complessa. Per il momento non ne è stata trovata alcuna»

Prove controverse

A volte la teoria si basa su prove controverse. Ad esempio, sebbene l'origine della Luna tramite la Teoria dell'impatto gigante abbia un buon supporto, questa non è accettata universalmente. Oppure la metallicità delle stelle potrebbe non essere un requisito fondamentale: la stella Tau Ceti ha una metallicità che varia tra il 22% e il 70% rispetto a quella del Sole, ma possiede più di 10 volte il materiale cometario e asteroidale disponibile nel sistema solare. Per questo motivo è probabile che Tau Ceti abbia dei pianeti di tipo terrestre. Inoltre sono presenti critiche anche alla teoria della Terra a palla di neve .

Mancanza di prove forti

L'ipotesi considera l'improbabilità di situazioni che non hanno prove forti. Considerando le dimensioni dell'universo, il periodo estremamente lungo degli eventi astronomici e le varie circostanze favorevoli alla vita, potrebbero essere presenti un numero maggiore di pianeti di tipo terrestre rispetto al numero molto basso previsto dall'ipotesi.

Alterazione dell'ambiente

L'ipotesi ignora che la vita intelligente possa alterare il proprio ambiente. Una specie che viaggia nello spazio potrebbe, in tempi molto lunghi, colonizzare e trasformare gradualmente molti pianeti inizialmente inadatti alla vita (un processo analogo alla terraformazione ) o disseminare forme di vita altamente adattabili in tutti gli ambienti in grado di sostenerle.

Note

  1. ^ Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages xxi-xxiii. Copernicus. 2000.
  2. ^ Webb, Stephen, 2002. If the universe is teeming with aliens, where is everybody? Fifty solutions to the Fermi paradox and the problem of extraterrestrial life . Copernicus Books (Springer Verlag)
  3. ^ 1 Morphology of Our Galaxy's 'Twin' Archiviato il 15 febbraio 2006 in Internet Archive . Spitzer Space Telescope , Jet Propulsion Laboratory , NASA .
  4. ^ Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages 27 - 29. Copernicus. 2000.
  5. ^ Lineweaver, Charles H., Fenner, Yeshe, and Gibson, Brad K., 2004, " The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way Archiviato il 12 luglio 2006 in Internet Archive .," Science 303 : 59-62.
  6. ^ Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages 32. Copernicus. 2000.
  7. ^ a b Guillermo Gonzalez, Brownlee, Donald, and Ward, Peter, 2001, " The Galactic Habitable Zone: Galactic Chemical Evolution, " Icarus 152 : 185-200.
  8. ^ Masters (2002)
  9. ^ Hart, M. "Habitable Zones Around Main Sequence Stars," Icarus, 37, 351 (1979).
  10. ^ Reynolds, RT, McKay, CP, and Kasting, JF "Europa, Tidally Heated Oceans, and Habitable Zones Around Giant Planets," Advances in Space Research, 7 (5), 125 (1987).
  11. ^ James Kasting, Whitmire, DP, and Reynolds, RT, 1993, "Habitable zones around main sequence stars," Icarus 101 : 108-28.
  12. ^ Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages 15-33. Copernicus. 2000.
  13. ^ Anita Heward, Jupiter: Friend or Foe? , su europlanet-eu.org , 17 agosto 2007.
  14. ^ TC Hinse, Chaos and Planet- Particle Dynamics within the Habitable Zone of Extrasolar Planetary Systems (A qualitative numerical stability study) ( PDF ), su astro.ku.dk , Niels Bohr Institute. URL consultato il 31 ottobre 2007 (archiviato dall' url originale il 28 settembre 2011) .
    «Main simulation results observed: [1] The presence of high-order mean-motion resonances for large values of giant planet eccentricity [2] Chaos dominated dynamics within the habitable zone(s) at large values of giant planet mass.» .
  15. ^ "Once you realize that most of the known extrasolar planets have highly eccentric orbits (like the planets in Upsilon Andromedae), you begin to wonder if there might be something special about our solar system" (UCBerkeleyNews quoting Extra sollar planetary researcher Eric Ford.) Robert Sanders, Wayward planet knocks extrasolar planets for a loop , su berkeley.edu , 13 aprile 2005. URL consultato il 31 ottobre 2007 .
  16. ^ Taylor 1998
  17. ^ A formal description of the hypothesis is given in: Richard Lathe, Fast tidal cycling and the origin of life , in Icarus , vol. 168, n. 1, marzo 2004, pp. 18-22.
    «tidal cycling, resembling the polymerase chain reaction (PCR) mechanism, could only replicate and amplify DNA-like polymers. This mechanism suggests constraints on the evolution of extra-terrestrial life.» .
    It is taught less formally here: James Schombert, Origin of Life , su abyss.uoregon.edu , University of Oregon. URL consultato il 31 ottobre 2007 .
    «with the vastness of the Earth's oceans it is statistically very improbable that these early proteins would ever link up. The solution is that the huge tides from the Moon produced inland tidal pools, which would fill and evaporate on a regular basis to produce high concentrations of amino acids» .
    .
  18. ^ New Map Provides More Evidence Mars Once Like Earth , su nasa.gov , 10 dicembre 2005.
  19. ^ E. Belbruno, J. Richard Gott III, Where Did The Moon Come From? , in The Astronomical Journal , vol. 129, n. 3, 2005, pp. 1724-1745, 0405372.
  20. ^ Taylor, Stuart Ross, 1998. Destiny or Chance: Our Solar System and Its Place in the Cosmos . Cambridge University Press
  21. ^ Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages 271-275. Copernicus. 2000.
  22. ^ The Space Fellowship Archiviato il 26 marzo 2009 in Internet Archive .: Finding Twin Earths: Harder Than We Thought!
  23. ^ David Darling, Life Everywhere: The Maverick Science of Astrobiology , Basic Books/Perseus, 2001.

Bibliografia

Voci correlate

Collegamenti esterni