Kaip po šalta Saule įsižiebė gyvybė Žemėje?

Tačiau tuo laiku susidariusiose uolienose randame nuosėdas, aiškiai susiformavusias vandenyje ir gausias bakterijų fosilijas, liudijančias, kad tuo metu mūsų planeta buvo šiltas, apgyventas pasaulis jau po milijardo metų nuo pradžios ar panašiai. Šis neatitikimas, vadinamasis blyškios jaunos Saulės paradoksas, turi daug galimų sprendimų. Tačiau nei vienas neatrodo visai teisingas. Bet iš besikaupiančių ir atmetamų pasiūlymų ryškėja viena, vis sunkiau ignoruojama išvada: mums pasisekė, kad esame čia, dar labiau, nei manėme.

Blyškios jaunos Saulės paradokso šaknys siekia septintąjį XX a. dešimtmetį, kai astrofizikai atliko pirmas grubias kompiuterines cheminės sudėties pokyčių įtakos panašioms į mūsiškę žvaigždžių šviesumui ir spinduliuojamos šilumos kiekiui, simuliacijas. Rezultatai buvo aiškūs: daugiau vandenilio ankstyvos Saulės branduolyje reikštų didesnį slėgį viduje, žvaigždės branduolio išsiplėtimą ir temperatūros sumažėjimą. Dėl to Saulė iš pradžių spinduliavo 25 – 30 procentų mažiau, nei dabar. Iš čia išplaukia, kad vidutinė ankstyvosios Žemės temperatūra buvo maždaug 20 laipsnių vėsesnė – apie 10 laipsnių žemiau vandens užšalimo taško.

Tačiau skysto vandens ženklai Žemėje beveik tokio pat amžiaus, kaip pati planeta. Mineralo cirkonio intarpai Jack Hills uolose Vakarų Australijoje datuojami 4,4 milijardų metų, turi deguonies izotopus, rodančius jų susiformavimą vandeningoje aplinkoje. Tame pačiame regione aptinkami iškastiniai stromatolitai, sluoksniuotos struktūros, kurias suformavo mikrobų kolonijos sekliuose vandenyse, kurių amžius – 3,5 milijardo metų.

„Tai aiškiai rodo, kad paprasti planetos apgyvendinimo modeliai neteisingi,“ sako Davidas Mintonas, planetologas iš Purdue universiteto Vakarų Lafayette`e, Indianoje. „Žemėje buvo gyvybė, kai ji turėjo būti užšalusi dykynė.“ Mintonas yra vienas iš kelių dešimčių astrofizikų ir geofizikų pernai susitikusių Baltimore'ėje, Marylande aptarti šios mįslės sprendimo būdus. „Pasirodė, kad yra beveik tiek pat galimų sprendimų, kiek ir dalyvių,“ prisimena jis.

Pirmasis pasiūlymas tebelieka populiariausias: šiltnamio efektą sukeliančios dujos sulaikydavo daugiau silpnos Saulės spindulių. Pasiūlymą pirmą kartą 1972-aisiais, Science žurnale pateikė astronomai Carlas Saganas ir George'as Mullenas. Bet pasirodė, tinkamų dujų radimas – kebli užduotis.

Teisingas kokteilis

Nepanašu, kad už tai galėtų atsakyti vien anglies dioksidas. CO2 į dirvą patenka su lietumi arba tiesioginės difuzijos būdu ir sukelia irimą, atsispindintį uolienų, vadinamųjų paleozolių, mineralinėje sudėtyje. Senovės paleozolių tyrimas rodo, kad atmosferinio CO2 lygis archėjaus eroje (prieš 3,8 – 2,5 mlrd m. ) buvo aukštesnis. Tam, kad okeanų temperatūra užtikrintai liktų 5 laipsniais aukštesnė nei užšalimo, reikėtų maždaug 300 kartų daugiau, nei dabartinis kiekis – 10 kartų daugiau, nei rodo patys dosniausi paleozolių vertinimai.

Jamesas Kastingas, paleoklimatologas iš Pensilvanijos valstijos universiteto Filadelfijoje, vis vien mano, kad CO2 pagrįstas šiltnamio efektas yra sprendimas, nurodydamas kitus jo vaidmens Žemės temperatūros reguliavime įrodymus (žr. „Anglies kontrolė“). „Kreipiu dėmesį į šiuos vertinimus, netgi jei su jais nevisiškai sutinku,“ sako jis. Viso to reikia teisingo kitų dujų, susimaišiusių su CO2, radimui.

1972 m. Saganas ir Mullenas pasiūlė amoniaką ir metaną. Bet amoniaką lengvai ardo ultravioletinė šviesa, o kadangi ankstyvoji Žemės atmosfera neturėjo ozono sluoksnio, jį lengvai būtų sunaikinusi netgi silpnesni jaunos žvaigždės spinduliai. Metanas – galingos šiltnamio efektą sukeliančios dujos, bet jo koncentracijai išaugus, pradeda formuotis organinė migla, sugerianti Saulės šviesą ir atspindinti ją atgal į kosmosą. Per daug metano planetos paviršių vėsina, o ne šildo – toks efektas ryškus Saturno palydove Titane.

Titanas pateikė kitus būdus paversti Žemės ankstyvą atmosferą jaukesne antklode. Robinas Wordsworthas ir Raymondas Pierrehumbertas iš Čikagos universiteto nesenai tyrė, ar didelė azoto ir vandenilio koncentracija, kaip esanti Titane, gali turėti šiltinantį efektą. Nors atsakymas teigiamas, nėra požymių, kad Žemės atmosfera kada nors buvo pakankamai tanki, kad galėtų išlaikyti reikiamus dujų kiekius.

„Pasirodo, visos dujos problematiškesnės, nei tikimasi“, apgailestauja Georgas Feulneris iš Potsdamo klimato įtakos tyrimų instituto Vokietijoje. Jis įsitikinęs, kad paradoksas dar neišspręstas, nes kompiuteriniai senovės klimato tyrimo modeliai yra per grubūs, kad pateiktų prasmingus rezultatus.

Nepailstamas aktyvumas

Modeliai grubūs, kadangi dažniausiai ignoruoja tokius faktorius, kaip Žemės sukimasis, kuris dėl Mėnulio traukos per tuos metus sulėtėjo. Šis lėtėjimas galėjo pakeisti šilumos transportavimo prie ašigalių pobūdį, galbūt keisdamas ir ledo dangalo plotą, tuo pačiu – gaunamą energiją, kurią Žemė atspindėdavo atgal į kosmosą, o ne sugerdavo.

Šis dydis – albedo – yra bendra problema. „Apie ankstyvosios Žemės albedo nežinome nieko,“ pažymi Kastingas. Vandenynai sugeria daugiau šilumos, nei sausuma, tad albedo veiks ir tokie faktoriai, kaip kontinentų išsidėstymas. O tolimoje praeityje dėl nenuilstamo Žemės tektoninio aktyvumo, jis buvo visiškai kitoks. Minikas Rosingas ir jo kolegos iš Kopenhagos universiteto Danijoje, netgi teigė, kad žymiai mažesnis kontinentų plotas kartu su debesų cheminės sudėties skirtumu, galėjo sumažinti albedo pakankamai, kad paaiškintų blyškios jaunos Saulės paradoksą netgi visai neįtraukiant aukštesnio šiltnamio dujų lygio ( Nature, vol 464, p 744).

Visi šie faktoriai – atmosferos sudėtis, sukimasis, albedo, debesų poveikis – galėtų būti paradokso sprendimo raktas. Arba gal atitraukia dėmesį nuo tikrosios priežasties. Mes paprasčiausiai to nežinome. Paties Feulnerio pastarasis sudėtingesnio modelio bandymas rodo, kad ankstesni tyrimai nepakankamai įvertino greitesnio sukimosi ir ledo dangos vėsinantį poveikį, dėl to blyškios jaunos Saulės paradoksas tampa dar didesne problema ( Geophysical Research Letters, vol 39, p L23710).

Po keleto metų jis tikisi sukviesti komandas, dirbančias su ankstyvosios Žemės klimato simuliacijomis ir palyginti rezultatus. Taip jie pamatys, kurie efektai yra modelio kūrimo teorinių prielaidų rezultatas. Bet koks šiltėjimas, pasireiškiantis visuose modeliuose, nepaisant juose daromų prielaidų, bus labiau tikėtinas problemos sprendimas.

Tuo tarpu kai kurie geofizikai įtariai tebežvelgia į Saulę. Ar gali būti, kad astrofizikai neišsiaiškino mūsų žvaigždės veikimo mechanizmo? „Kas 10 metų ar panašiai, kas nors vis iškelia mintį, kad anksčiau Saulė turėjo būti masyvesnė,“ pastebi Kastingas. Perteklius turėjo būti žymus – apie 2,5 procento arba 8250 Žemės masių, – kad Saulė būtų švietusi pakankamai ryškiai. Nors Saulė nuolat švaisto daleles į kosmosą, kurdama Saulės vėją, dabartine sparta vienos Žemės masės praradimas truktų 150 milijonų metų. Tai reiškia, kad Saulės vėjai praeityje turėjo būti stipresni – gerokai stipresni. „Tai turėtų būti nuolatinis masės praradimas, mažiausiai 10 kartų stipresnis, nei stebimas kitose žvaigždėse“, - abejoja Mintonas.

Tai dar ne visi astronominiai pasiūlymai. Pats Mintonas siūlo ir planetinį biliardą. Šią idėją įkvėpė Jacqueso Laskaro iš Paryžiaus observatorijos darbas. 2009 metais Laskaras pakliuvo žiniasklaidos akiratin su kompiuterinėmis simuliacijomis, rodžiusiomis, kad Saulės sistemos vidinių planetų orbitos nebūtinai išlieka stabilios per milijardus metų. Pagal vieną itin neraminantį scenarijų, išorinės Saulės sistemos giganto, Jupiterio, gravitacija gali destabilizuoti Merkurijaus orbitą, išsviesti jį išorėn ir potencialiai sukelti susidūrimą tarp jo, Veneros, Žemės ir Marso per maždaug 3,5 milijardo metų ( Nature, vol 459, p 817).

Orbitos poslinkis

Mintonas mano, kad tai, kas įmanoma ateityje, gali būti tiesa ir kalbant apie praeitį. Jis ištyrė, ko būtų reikėję, kad Žemė būtų susiformavusi arčiau žvaigždės ir dabartinėje orbitoje atsidūrusi vėliau, elegantiškai išspręsdama blyškios jaunos Saulės paradoksą. Dar nepublikuotame darbe, jis parodo, kad būtų reikėję visai nedaug. „Tereikia pakeisti Žemės orbitą keliais procentais,“ sako jis. Tačiau netgi tada tokį orbitos pokytį lengviau pasiekti katastrofa, nei palaipsniui. Mintono įsivaizduota katastrofa buvo dviejų planetų susidūrimas maždaug prieš 2,5 milijardo metų, sukūręs dabartinę Venerą. Dėl to atsiradusio gravitacinės aplinkos pokyčio būtų pakakę Žemės stumtelėjimui tolyn į dabartinę orbitą, užtikrinusiam, kad Saulei kaistant, gyvybė Žemėje neiškeps.

Netgi Mintonas pripažįsta, kad ši idėja šiek tiek trenkta – ir beveik nepatikrinama. Planetos amžių dažnai galima įvertinti pagal kraterių tankumą jos paviršiuje, bet Venera savąjį gerai slepia. Paprastas planetos kraterių suskaičiavimas pateikia skaičių nuo vos 500 milijonų iki milijardo metų – daug mažiau, nei būtų tikėtina, remiantis bet kokiu scenarijumi. Venerai turėjo nutikti kažkas, kas išlygino ankstesnes raukšles. Kol tai išsiaiškinsime, tikrojo planetos amžiaus nustatyti negalime.

Kastingas irgi skeptiškai žiūri į Mintono idėją ir pasitelkia Occamo skustuvą. „Sprendimai turėtų būti paprasti,“ sako jis. Deja, būtent paprastų sprendimų dabar ir trūksta. Iš tiesų, viskas rodo, kad joks vienas faktorius negali paaiškinti blyškios ankstyvosios Saulės paradokso. Ir tai kelia platesnį klausimą. Jei Žemės apgyvendinta dėl tiksliai susiklosčiusių įvykių kombinacijos, kiek kitų planetų galėjo žengti panašiu neįtikėtinu keliu?

Feulner šio klausimo nesureikšmina, sakydamas, kad, prieš spekuliuojant apie kitus pasaulius, pirma reikia susitvarkyti savo namus. „Kadangi mūsų supratimas apie priešistorinį klimatą toks preliminarus, būčiau laimingas, pirmiausia supratęs blyškios jaunos Saulės paradoksą ir tada svarstyčiau pasekmes.“

Mintonas laikosi kitokio požiūrio. Jei šis paradoksas turi daug įmanomų sprendimų, – netgi jei vos vienas iš jų tinka Žemei – kiti gali tikti kitoms galaktikos planetoms. Daug skirtingų būdų pasiekti tinkamas sąlygas gyvybei gali nustelbti kurio nors vieno būdo neįtikinamumą. „Gali būti tiek sudėtingų faktorių, kad visas reikalas dar tik atsiveria,“ sako jis. „Biosferos gali būti daug atsparesnės, nei manome, ir planetų aplinkos, kurias laikome visiškai nedraugingomis, gali pasirodyti puikiausiai tinkamos.“

Kamuojamus vienatvės ir egzistencinio nerimo, tokia mintis tikriausiai guodžia. Nors ji vis vien neatsako į klausimą: kodėl mes čia esame?

Anglies kontrolė

Visi duomenys rodo, kad Žemės archėjo eroje, pasibaigusioje prieš 2,5 milijardo metų, buvo daug šilčiau, nei leidžia Saulės ankstyvojo vystymosi modeliai (žr. pagrindinį pasakojimą). Tačiau nėra abejonių, kaip ta era baigėsi: mūsų planetą staiga sukaustė jos pirmasis ledynmetis. Vadinamasis Hurono apledėjimas buvo vienas iš ilgiausių ir atšiauriausių ledynmečių Žemės istorijoje – ir jis įvyko tada, kai Saulės temperatūra turėjo siekti žymą, galinčią paversti mūsų planetą jaukiu pasauliu. Kodėl?

Jamesas Kastingas iš Pensilvanijos universiteto Filadelfijoje nurodo galimą priežastį: gyvybė, o konkrečiau – pirmųjų fotosintetinančių organizmų išskiriamas deguonis. Deguonis ardo metaną, – dujas, turinčias stiprų šiltnamio poveikį, – į anglies dioksidą ir vandenį. „Prieš atsirandant deguoniui, metanas atmosferoje išsilaikydavo 10 000 metų,“ sako jis. Vėliau vidutinė molekulės gyvavimo trukmė tebuvo dešimtmetis ar panašiai. Metanas daug efektyviau sukelia šiltnamio efektą, nei jam skylant susidaręs CO2, tad Žemė atvėso.

Bet kaip tada mūsų planeta vėl ištrūko iš ledynmečio? Atsakymas tikriausiai glūdi tame, kaip atmosferos CO2 tirpsta lietaus vandenyje ir susigeria į dirvą, chemiškai ardydamas egzistuojančias uolienas ir sudarydamas karbonatines uolienas, tektoninių procesų nunešamas gilyn į Žemę. Po daugelio milijonų metų vulkanai perdirba šias uolienas ir išsiverždami grąžina CO2 į atmosferą.

Kai temperatūra nukrenta, kaip Hurono ledynmečio pradžioje, cheminis irimas sulėtėja, kadangi jo cheminiai procesai iš dalies priklauso nuo temperatūros, bet ugnikalniai tebeišskiria anksčiau sukauptą CO2. Tai sukuria stipresnį šiltnamio efektą, pakelia temperatūrą ir pabaigia ledynmetį.

Tokie efektai įtikina Kastingą, kad reguliuojantis CO2 poveikis yra blyškios jaunos Saulės paradokso sprendimas. „Anglies dvideginis visada kils iki lygio, apsaugančio Žemę nuo sušalimo“, - sako jis.