چرا سیاره های پیر هم شاید فقط میزبان میکروب ها باشند

سیاره‌ای را تصور کنید که میلیاردها سال از زمین پیرتر است، در نور کم‌جان ستاره‌ای فرو رفته و با این حال تنها میکروب‌ها در آن زندگی می‌کنند. این تصویر برای دوستداران تمدن‌های کهکشانی چندان خوشایند نیست، اما شاخه‌ای تازه از پژوهش‌ها دلیل روشنی ارائه می‌کند که چرا صرفا سن زیاد، تضمین‌کننده پیچیدگی زیستی نیست.

برخی سیاره‌های فراخورشیدی نزدیک ممکن است بسیار قدیمی‌تر از زمین باشند، اما هنوز فقط میزبان حیات ساده باشند. مطالعه‌ای تازه نشان می‌دهد عامل تعیین‌کننده شاید میزان انرژی فتوسنتزی باشد که یک سیاره طی میلیاردها سال انباشته کرده است.

وقتی زمان با پیشرفت یکی نیست

پژوهشگرانی به سرپرستی کریس داوتی از دانشگاه آریزونای شمالی معتقدند ساعت تکاملی در جهان‌های دیگر نه بر اساس تعداد سال‌های سپری‌شده از زمان شکل‌گیری، بلکه بر پایه انرژی جذب‌شده از راه فتوسنتز کار می‌کند. این گروه ۲۹ سیاره نزدیک به منظومه شمسی ما را بررسی کرد که در اصل می‌توانند آب مایع داشته باشند. نتیجه چنین بود: فقط دو مورد از این جهان‌ها نامزدهایی محتمل به نظر می‌رسند که شاید از مرحله تکاملی زمین فراتر رفته باشند. بیشتر آن‌ها ظاهرا در سطوح ساده‌تر و میکروبی متوقف مانده‌اند.

دو استثنا جی‌جی ۱۰۶۱سی و کی۲-۳دی هستند. هر دو از بسیاری نامزدهای نزدیک و هم‌اندازه زمین، بزرگ‌تر، گرم‌تر، روشن‌تر و پیرترند. سه سیاره دیگر نیز شاید به وضعیتی تکاملی مشابه دوران مزوزوئیک زمین رسیده باشند، دوره‌ای که دایناسورها بر آن سلطه داشتند. با این همه، حتی این موارد نیز استثنا محسوب می‌شوند.

نتیجه اصلی برخلاف انتظار است. قدیمی‌تر بودن به طور خودکار به معنای پیشرفته‌تر بودن از نظر زیستی نیست. متغیر حیاتی، خروجی تجمعی فتوسنتز در طول زمان زمین‌شناختی است. اینکه چه مقدار نور به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود و این فرایند تا چه اندازه پیوسته از تولیدکنندگان اولیه شبیه گیاهان پشتیبانی کرده، چارچوب بوم‌شناختی لازم برای شکل‌گیری حیات پیچیده را تعیین می‌کند.

فتوسنتز به عنوان معیار سنجش تکامل

روی زمین، مناطق گرم و مرطوب، مانند جنگل‌های بارانی استوایی، از رشد انبوه گیاهان و تنوع گونه‌ای بالا پشتیبانی می‌کنند. مناطق سرد یا خشک چنین ظرفیتی ندارند. این همبستگی ساده است: زیست‌توده گیاهی بیشتر یعنی انرژی بیشتر وارد شبکه‌های غذایی می‌شود، جمعیت‌های جانوری بزرگ‌تر و متنوع‌تر دوام می‌آورند و آشیان‌های بوم‌شناختی تازه‌ای شکل می‌گیرد که به سود پیچیدگی زیستی است.

اما برای مقایسه زمین با سیاره‌ای دیگر، باید نگاهی بلندمدت داشت. فتوسنتز در طول عمر آن سیاره چه مقدار کربن را تثبیت کرده است؟ داوتی و همکارانش از پیشینه خود زمین به عنوان معیار استفاده کردند. پیش از تکامل گیاهان آوندی، حدود ۳.۲ میلیارد سال فتوسنتز نزدیک به ۲.۴ ضرب در ۱۰ به توان ۲۵ گرم کربن را در ماده آلی تثبیت کرد. پس از پیدایش گیاهان آوندی، پیش از آنکه انسان پا به صحنه بگذارد، ۷ ضرب در ۱۰ به توان ۲۵ گرم دیگر تثبیت شد. این اعداد راهی برای مقیاس‌بندی پیشرفت تکاملی احتمالی در جهان‌های دیگر فراهم می‌کنند.

در برخی سیاره‌های فراخورشیدی، حتی اگر حیات میلیاردها سال بیشتر فرصت داشته باشد، کل بازده فتوسنتزی ممکن است بسیار کمتر از زمین باشد. بازده کمتر به معنای منابع کمتر برای زنجیره‌ای از گام‌های تکاملی است که به پیدایش جانوران بزرگ و در نهایت هوش منجر می‌شود.

کوتوله‌های سرخ، قفل کشندی و ریاضیات نور

ستاره‌های کوتوله سرخ فراوان‌اند و بسیاری از نامزدهای مهم سیاره‌های فراخورشیدی به دور آن‌ها می‌گردند. این ستاره‌ها نسبت به ستاره‌های خورشیدمانند نور کمتری تولید می‌کنند و سیاره‌هایی که برای گرم ماندن به اندازه کافی به آن‌ها نزدیک‌اند، ممکن است دچار قفل کشندی شوند. در چنین حالتی، یک نیم‌کره در روشنایی دائمی می‌سوزد و نیم‌کره دیگر در شب همیشگی یخ می‌زند. این هندسه، مساحت جهانی قابل استفاده برای فتوسنتز را کاهش می‌دهد.

مایکل گوانلاک، یکی از نویسندگان همکار، موضوع را ساده بیان می‌کند: اگر حیات فتوسنتزی در جهان‌های قفل‌شده کشندی وجود داشته باشد، شاید مدت طولانی‌تری از زمین فتوسنتز کرده باشد، اما به دلیل محدودیت روشنایی و مساحت سطح، نرخ سالانه آن کمتر بوده است. کدام‌یک جلوتر است؟ هنوز نمی‌دانیم، اما پژوهشگران تلاش کردند این تفاوت را کمی‌سازی کنند.

برآورد فتوسنتز در جهانی دیگر، فراتر از شمردن فوتون‌هاست. رشد گیاهان علاوه بر نور، به دما و بارش نیز وابسته است. دنیس سرگیف از دانشگاه بریستول شبیه‌سازی‌های اقلیمی برای سیاره‌های نامزد انجام داد و نقشه‌هایی از دما، بارندگی و روشنایی سطحی تهیه کرد. ترکیب این نقشه‌های اقلیمی با مدل‌های بهره‌وری گیاهی، برآوردهایی از تثبیت احتمالی کربن در طول عمر سیاره‌ها به دست داد.

تراپیست-۱ئی، سیاره‌ای در فاصله حدود ۴۰ سال نوری، نمونه‌ای روشنگر است. با وجود آنکه چند میلیارد سال از زمین پیرتر است، برآوردها نشان می‌دهد تثبیت کربن آن در طول عمرش شاید فقط ۲۱ درصد کل مقدار زمین باشد. بر اساس چارچوب این مطالعه، چنین وضعی تراپیست-۱ئی را در مرحله‌ای از تکامل قرار می‌دهد که فقط میکروبی است. جو سیاره‌ها می‌تواند نتیجه را تغییر دهد و نویسندگان تاکید می‌کنند محاسباتشان بر این فرض استوار است که حیات، اگر وجود داشته باشد، مسیرهایی شبیه زمین را دنبال می‌کند. رصدهای تلسکوپ‌هایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب شاید به‌زودی سرنخ‌های جوی فراهم کند و این اعداد را دقیق‌تر سازد.

سامانه تراپیست-۱. 

بارندگی، بیابان‌ها و ماهیت زیست‌بوم‌های بیگانه

شگفت‌آور اینکه در بسیاری از سیاره‌هایی که شاید از نظر تثبیت تجمعی کربن از زمین پیشی بگیرند، عامل محدودکننده اصلی بارش بود. نور خورشید می‌تواند فراوان باشد، اما بدون آب بی‌فایده می‌شود. یک بیابان نور بیشتری از جنگل بارانی دریافت می‌کند، با این حال زیست‌توده بسیار کمتری را پشتیبانی می‌کند. همین واقعیت ساده بوم‌شناختی، مسیرهای تکاملی را شکل می‌دهد.

اگر حیات پیچیده در آن دسته نادر از سیاره‌های فراخورشیدی با فتوسنتز تجمعی کافی تکامل یافته باشد، محیط‌هایی که آن را پرورش داده‌اند شاید شبیه پاندورا در فیلم آواتار نباشند. در عوض ممکن است بیشتر به تپه‌های شنی و بوته‌زارها شباهت داشته باشند، شاید مشابه جنگل‌زارهای ساوانایی که انسان احتمالا در آن‌ها پدیدار شد، یعنی محیط‌هایی شکل‌گرفته از بارش متوسط و تغییرپذیری فصلی، نه فراوانی دائمی.

اگر از دو اشاره فرهنگ عامه استفاده کنیم، زیست‌بوم‌هایی که هر نوع حیات پیشرفته را شکل می‌دهند شاید بیش از آواتار، به تل‌ماسه شبیه باشند. این موضوع اهمیت دارد، زیرا ویژگی فیزیکی زیست‌بوم‌ها بر نوع هوش و فناوری‌هایی که ممکن است پدید آیند اثر می‌گذارد. کمبود آب و منابع پراکنده، رفتارها، ساختارهای اجتماعی و نوآوری‌هایی متفاوت از فراوانی همیشگی را برمی‌گزینند.

تعطیلات در سامانه سیاره‌ای تراپیست-۱ چه حال و هوایی خواهد داشت؟ این پوستر شما را دعوت می‌کند تا «در سامانه تراپیست-۱، سفری از سیاره‌ای به سیاره دیگر را تجربه کنید». این سامانه ستاره‌ای به کمک تلسکوپ کوچک سیاره‌ها و خرده‌سیاره‌های گذرنده، یا تراپیست، و تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا آشکار شد. 

دیدگاه کارشناس

دکتر النا روئیز، اخترزیست‌شناس آژانس فضایی اروپا که در این مطالعه مشارکت نداشته است، می‌گوید: «جریان تجمعی انرژی در زیست‌بوم‌ها، دریچه‌ای نیرومند و کمتر مورد توجه برای اندیشیدن درباره اخترزیست‌شناسی است. ممکن است میلیاردها سال زمان در اختیار باشد، اما اگر انرژی به شکل رقیق و پراکنده توزیع شود، پیچیدگی برای ظهور با دشواری روبه‌رو می‌شود. این پژوهش راهی کاربردی به ما می‌دهد تا اهداف آینده را برای رصد جو و نشانه‌های زیستی رتبه‌بندی کنیم.»

روش‌ها، ملاحظات و مسیر پیش رو

آنچه این مطالعه ارائه می‌کند یک چارچوب است، نه حکم نهایی. این گروه داده‌های ستاره‌ای و مداری را با شبیه‌سازی‌های اقلیمی و مدل‌های بهره‌وری گیاهی که بر اساس زمین کالیبره شده‌اند ترکیب کرد. نتیجه، برآوردهای رتبه‌بندی‌شده‌ای از تثبیت کربن فتوسنتزی در طول عمر هر سیاره بود. نویسندگان از این اعداد، مراحل تکاملی محتمل را استنباط کردند و میکروب‌ها، زیست‌بوم‌های چندسلولی و امکان نادر حیات پیشرفته‌تر را بر این نقشه نشاندند.

ملاحظات مهمی همچنان باقی است. این مدل فرض می‌کند حیات، اگر وجود داشته باشد، بر فتوسنتز تکیه دارد و در مسیرهایی مشابه زمین پیش می‌رود. همچنین فرض می‌کند جو سیاره‌ها در بازه‌ای مشخص قرار می‌گیرد؛ جوی به طور غیرمنتظره ضخیم یا نازک می‌تواند دمای سطح و الگوهای بارش را آن‌قدر تغییر دهد که برآوردهای بهره‌وری دگرگون شود. سوخت‌وسازهای غیر فتوسنتزی یا شیمی‌های نامتعارف به‌کلی از این چارچوب بیرون می‌مانند.

از نظر رصدی، گام بعدی مشخص‌سازی جو است. جیمز وب و تلسکوپ‌های آینده می‌توانند گازهایی مانند اکسیژن، متان و بخار آب را شناسایی کنند و این داده‌ها دامنه عدم قطعیت را کاهش خواهند داد. اگر سیاره‌ای نشانه‌های زیستی گازی آشکار نشان دهد، اما در مدل از پتانسیل فتوسنتزی تجمعی پایینی برخوردار باشد، این یافته فرضیات موجود را به چالش می‌کشد و ما را وادار می‌کند درک خود از چگونگی استفاده حیات از انرژی در کیهان را بازنگری کنیم.

نتیجه‌گیری

این مطالعه پرسشی کلاسیک درباره حیات فراتر از زمین را از نو صورت‌بندی می‌کند. به جای اینکه بپرسیم یک سیاره چند ساله است، باید بپرسیم زیست‌کره آن در گذر زمان چه مقدار انرژی قابل استفاده برداشت کرده است. پیچیدگی به انرژی پایدار و فراوان نیاز دارد. شرایط محلی که نور، دما یا به‌ویژه آب را محدود می‌کند، می‌تواند سیاره‌ای پیر را از نظر زیستی جوان نگه دارد.

فعلا شاید همسایگی ستاره‌ای نزدیک ما آرام‌تر از تصویرهای رمانتیک و خیال‌پردازانه باشد. این موضوع وجود حیات را رد نمی‌کند؛ فقط انتظارات را تغییر می‌دهد. بسیاری از نزدیک‌ترین جهان‌های بالقوه زیست‌پذیر ما می‌توانند مخازن عظیم میکروبی باشند، جهان‌هایی آرام و سرشار از فعالیت زیست‌شیمیایی، اما کم‌بهره از توان بوم‌شناختی لازم برای تولید تمدن‌ها. اگر امیدواریم در میان ستارگان همدمی پیدا کنیم، باید نه فقط به سن، بلکه به سیاره‌ای نگاه کنیم که به اندازه کافی و برای مدتی کافی تغذیه شده باشد تا پیچیدگی در آن شکوفا شود.