Редкая Земля: Почему сложная жизнь во Вселенной нетипична.

Редкая Земля: гипотеза о низкой вероятности сложной внеземной жизни. Уникальное сочетание факторов сделало возможным развитие жизни на Земле. Астробиология.

26 мин чтения

100%

Источник: Rare Earth hypothesis — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Гипотеза о том, что сложная внеземная жизнь маловероятна и крайне редка.

В планетарной астрономии и астробиологии гипотеза о редкой Земле утверждает, что возникновение жизни и эволюция биологической сложности, такой как половое размножение, многоклеточные организмы на Земле и, впоследствии, человеческий интеллект, потребовали маловероятного сочетания астрофизических и геологических событий и обстоятельств. Согласно этой гипотезе, сложная внеземная жизнь – явление маловероятное и, вероятно, редкое во Вселенной в целом. Термин «Редкая Земля» происходит из книги «Редкая Земля: почему сложная жизнь необычна во Вселенной» (2000), написанной Питером Уордом, геологом и палеонтологом, и Дональдом Э. Браунли, астрономом и астробиологом, оба преподавателя Университета Вашингтона. В 1970-х и 1980-х годах Карл Саган и Фрэнк Дрейк, среди прочих, утверждали, что Земля – типичная каменистая планета в типичной планетной системе, расположенная в невыдающемся регионе обычной спиральной галактики с перемычкой. Исходя из принципа посредственности (расширенного принципа Коперника), они полагали, что эволюция жизни на Земле, включая человека, также была типичной, и, следовательно, Вселенная изобилует сложной жизнью. Уорд и Браунли утверждают, что планеты, планетные системы и галактические области, столь же благоприятные для сложной жизни, как Земля, Солнечная система и наша галактическая область, вовсе не типичны, а напротив, чрезвычайно редки.

Парадокс Ферми

Нет никаких достоверных или воспроизводимых доказательств того, что внеземные организмы какого-либо типа посещали Землю. Никаких сигналов или свидетельств разумной внеземной жизни не было обнаружено или зафиксировано где-либо во Вселенной, кроме Земли. Это противоречит пониманию того, что Вселенная изобилует огромным количеством планет, на некоторых из которых, вероятно, существуют условия, благоприятные для жизни. Жизнь, как правило, распространяется, пока не заполнит все доступные экологические ниши. Эти противоречивые факты лежат в основе парадокса Ферми, одним из предложенных решений которого является гипотеза о редкой Земле.

Требования к сложной жизни

Гипотеза Редкой Земли утверждает, что эволюция биологической сложности в любой точке Вселенной требует совпадения большого количества благоприятных обстоятельств, включая, среди прочего, галактическую обитаемую зону; центральную звезду и планетарную систему, обладающую необходимыми характеристиками (то есть околозвездную обитаемую зону); земную планету подходящей массы; наличие одного или нескольких газовых гигантов-защитников, таких как Юпитер, и, возможно, крупного естественного спутника для защиты планеты от частых столкновений; условия, необходимые для формирования магнитосферы и тектоники плит; химический состав, сходный с составом литосферы, атмосферы и океанов Земли; влияние периодических "эволюционных импульсов", таких как масштабные оледенения и удары болидов; а также факторы, приведшие к появлению эукариотических клеток, полового размножения и кембрийского взрыва типов животных, растений и грибов. Эволюция человека и человеческого интеллекта могла потребовать еще более специфических событий и обстоятельств, все из которых крайне маловероятны, если бы не вымирание на границе мелового и палеогенового периодов 66 миллионов лет назад, устранившее динозавров как доминирующих наземных позвоночных. По мнению Уорда и Браунли, для поддержания сложной жизни на небольшой каменистой планете значения нескольких переменных должны находиться в узких пределах. Вселенная настолько огромна, что в ней, возможно, существует множество планет, подобных Земле, но если такие планеты и существуют, то они, вероятно, отделены друг от друга тысячами световых лет. Такие расстояния могут препятствовать общению между любыми разумными видами, которые могут развиться на этих планетах, что могло бы объяснить парадокс Ферми: "Если внеземные цивилизации распространены, почему мы их не видим?"

Правильное место в правильной галактике

Редкая Земля предполагает, что большая часть известной Вселенной, включая значительные области нашей галактики, является "мертвыми зонами", не способными поддерживать сложную жизнь. Те части галактики, где возможна сложная жизнь, формируют галактическую обитаемую зону, которая в первую очередь характеризуется расстоянием от галактического центра. С увеличением этого расстояния снижается металличность звезд. Металлы (в астрономии – все элементы, кроме водорода и гелия) необходимы для формирования планет земного типа. Интенсивность рентгеновского и гамма-излучения от черной дыры в центре галактики и от близлежащих нейтронных звезд уменьшается с увеличением расстояния. Таким образом, ранняя Вселенная и современные галактические области с высокой звездной плотностью и частыми сверхновыми будут являться мертвыми зонами. Гравитационные возмущения планет и планетезималей со стороны близких звезд становятся менее вероятными при уменьшении плотности звезд. Следовательно, чем дальше планета от галактического центра или спирального рукава, тем меньше вероятность столкновения с крупным болидом, способным уничтожить всю сложную жизнь на планете. Пункт #1 исключает внешние пределы галактики; #2 и #3 – внутренние области. Таким образом, обитаемая зона галактики может представлять собой относительно узкое кольцо благоприятных условий, зажатое между ее необитаемым центром и внешними границами. Кроме того, планетарная система, пригодная для жизни, должна сохранять свое благоприятное положение достаточно долго для эволюции сложной жизни. Звезда с эксцентричной (эллиптической или гиперболической) галактической орбитой будет пересекать некоторые спиральные рукава – неблагоприятные области с высокой звездной плотностью; поэтому звезда, несущая жизнь, должна иметь почти круговую галактическую орбиту с тесной синхронизацией между орбитальной скоростью звезды и спиральных рукавов. Это еще больше сужает галактическую обитаемую зону в пределах довольно узкого диапазона расстояний от галактического центра. Lineweaver et al. рассчитали, что эта зона представляет собой кольцо радиусом от 7 до 9 килопарсек, включающее не более 10% звезд Млечного Пути, то есть около 20–40 миллиардов звезд. Gonzalez et al. уменьшили бы эти цифры вдвое, оценивая, что не более 5% звезд Млечного Пути попадают в галактическую обитаемую зону. Примерно 77% наблюдаемых галактик – спиральные, две трети спиральных галактик имеют перемычку, и более половины, как и Млечный Путь, обладают несколькими рукавами. Согласно "Редкой Земле", наша галактика необычно спокойна и тускла (см. ниже), составляя всего 7% от своего типа. Тем не менее, это все равно означает более 200 миллиардов галактик во Вселенной. Наша галактика также кажется необычно благоприятной, поскольку за последние 10 миллиардов лет она реже сталкивалась с другими галактиками, что может приводить к большему количеству сверхновых и других возмущений. Кроме того, центральная черная дыра Млечного Пути, по-видимому, не проявляет ни чрезмерной, ни недостаточной активности. Орбита Солнца вокруг центра Млечного Пути действительно почти идеально круглая, с периодом 226 млн лет, близким к периоду вращения галактики. Однако большинство звезд в спиральных галактиках с перемычкой населяют спиральные рукава, а не гало, и, как правило, движутся по гравитационно выровненным орбитам, поэтому в орбите Солнца нет ничего необычного. В то время как гипотеза "Редкой Земли" предсказывает, что Солнце редко или никогда не пересекало спиральный рукав с момента своего формирования, астроном Карен Мастерс рассчитала, что орбита Солнца пересекает крупный спиральный рукав примерно каждые 100 миллионов лет. Некоторые исследователи предполагают, что несколько массовых вымираний действительно совпадают с предыдущими пересечениями спиральных рукавов.

Rare Earth suggests that much of the known universe, including large parts of our galaxy, are "dead zones" unable to support complex life. Those parts of a galaxy where complex life is possible make up the galactic habitable zone, which is primarily characterized by distance from the Galactic Center. As that distance increases, star metallicity declines. Metals (which in astronomy refers to all elements other than hydrogen and helium) are necessary for the formation of terrestrial planets. The X ray and gamma ray radiation from the black hole at the galactic center, and from nearby neutron stars, becomes less intense as distance increases. Thus the early universe, and present day galactic regions where stellar density is high and supernovae are common, will be dead zones. Gravitational perturbation of planets and planetesimals by nearby stars becomes less likely as the density of stars decreases. Hence the further a planet lies from the Galactic Center or a spiral arm, the less likely it is to be struck by a large bolide which could extinguish all complex life on a planet. Item #1 rules out the outermost reaches of a galaxy; #2 and #3 rule out galactic inner regions. Hence a galaxy's habitable zone may be a relatively narrow ring of adequate conditions sandwiched between its uninhabitable center and outer reaches. Also, a habitable planetary system must maintain its favorable location long enough for complex life to evolve. A star with an eccentric (elliptical or hyperbolic) galactic orbit will pass through some spiral arms, unfavorable regions of high star density; thus a life bearing star must have a galactic orbit that is nearly circular, with a close synchronization between the orbital velocity of the star and of the spiral arms. This further restricts the galactic habitable zone within a fairly narrow range of distances from the Galactic Center. Lineweaver et al. calculate this zone to be a ring 7 to 9 kiloparsecs in radius, including no more than 10% of the stars in the Milky Way, about 20 to 40 billion stars. Gonzalez et al. would halve these numbers; they estimate that at most 5% of stars in the Milky Way fall within the galactic habitable zone. Approximately 77% of observed galaxies are spiral, two thirds of all spiral galaxies are barred, and more than half, like the Milky Way, exhibit multiple arms. According to Rare Earth, our own galaxy is unusually quiet and dim (see below), representing just 7% of its kind. Even so, this would still represent more than 200 billion galaxies in the known universe. Our galaxy also appears unusually favorable in suffering fewer collisions with other galaxies over the last 10 billion years, which can cause more supernovae and other disturbances. Also, the Milky Way's central black hole seems to have neither too much nor too little activity. The orbit of the Sun around the center of the Milky Way is indeed almost perfectly circular, with a period of 226 Ma (million years), closely matching the rotational period of the galaxy. However, the majority of stars in barred spiral galaxies populate the spiral arms rather than the halo and tend to move in gravitationally aligned orbits, so there is little that is unusual about the Sun's orbit. While the Rare Earth hypothesis predicts that the Sun should rarely, if ever, have passed through a spiral arm since its formation, astronomer Karen Masters has calculated that the orbit of the Sun takes it through a major spiral arm approximately every 100 million years. Some researchers have suggested that several mass extinctions do indeed correspond with previous crossings of the spiral arms.

Правильное орбитальное расстояние от правильного типа звезды

Наземный пример показывает, что сложная жизнь требует жидкой воды, поддержание которой требует орбитального расстояния, не слишком близкого и не слишком далекого от центральной звезды – иного масштаба обитаемой зоны или принципа Златовласки. Обитаемая зона варьируется в зависимости от типа и возраста звезды. Для развития развитой жизни звезда также должна быть высокостабильной, что характерно для звезд средней жизни, возрастом около 4,6 миллиарда лет. Для стабильности также важны подходящая металличность и размер. Солнце имеет низкое (0,1%) изменение светимости. На сегодняшний день не обнаружено ни одной звезды-близнеца Солнца с точным соответствием вариациям светимости Солнца, хотя некоторые к этому близки. Звезда также не должна иметь звездных компаньонов, как в двойных системах, что нарушило бы орбиты планет. По оценкам, 50% или более всех звездных систем являются двойными. Обитаемая зона звезды главной последовательности очень постепенно смещается наружу в течение ее жизни, пока звезда не превратится в белый карлик, и обитаемая зона исчезнет. Жидкая вода и другие газы, доступные в обитаемой зоне, обеспечивают эффект теплицы. Несмотря на то, что атмосфера Земли содержит концентрацию водяного пара от 0% (в засушливых регионах) до 4% (в тропических лесах и океанических регионах) и – по состоянию на ноябрь 2022 года – всего 417,2 частей на миллион, этих небольших количеств достаточно, чтобы повысить среднюю температуру поверхности примерно на 40 °C, причем основной вклад вносит водяной пар. Каменистые планеты должны вращаться в пределах обитаемой зоны для формирования жизни. Хотя обитаемая зона таких горячих звезд, как Сириус или Вега, широка, горячие звезды также излучают гораздо больше ультрафиолетового излучения, которое ионизирует любую планетарную атмосферу. Такие звезды также могут стать красными гигантами до того, как на их планетах эволюционирует развитая жизнь. Эти соображения исключают массивные и мощные звезды типа F6–O (см. звездную классификацию) как место обитания для развитой метазоанной жизни. Напротив, у маленьких красных карликов небольшие обитаемые зоны, в которых планеты находятся в приливном захвате: одна сторона всегда обращена к звезде очень горячей стороной, а другая – очень холодной, и они также подвержены повышенному риску солнечных вспышек (см. Аурелию). Поэтому оспаривается, могут ли они поддерживать жизнь. Сторонники гипотезы «Редкой Земли» утверждают, что гостеприимны только звезды типов F7–K1. Такие звезды редки: звезды типа G, такие как Солнце (между более горячим F и более холодным K), составляют лишь 9% водород-сжигающих звезд в Млечном Пути. Такие старые звезды, как красные гиганты и белые карлики, также вряд ли могут поддерживать жизнь. Красные гиганты распространены в шаровых скоплениях и эллиптических галактиках. Белые карлики – это в основном умирающие звезды, которые уже завершили фазу красного гиганта. Звезды, превращающиеся в красных гигантов, расширяются или перегреваются в обитаемых зонах своей молодости и зрелости (хотя теоретически планеты на гораздо больших расстояниях могут тогда стать обитаемыми). Изменение выходной энергии в течение жизни звезды, вероятно, предотвратит возникновение жизни (например, как у цефеид). Внезапное уменьшение, даже кратковременное, может заморозить воду на орбитальных планетах, а значительное увеличение может испарить ее и вызвать парниковый эффект, препятствующий восстановлению океанов. Вся известная жизнь требует сложной химии металлических элементов. Поглотительный спектр звезды показывает наличие металлов внутри, и исследования звездных спектров показывают, что многие, возможно, большинство звезд бедны металлами. Поскольку тяжелые металлы образуются при взрывах сверхновых, металличность во Вселенной со временем увеличивается. Низкая металличность характеризует раннюю Вселенную: шаровые скопления и другие звезды, которые сформировались, когда Вселенная была молодой, звезды в большинстве галактик, кроме больших спиралей, и звезды во внешних областях всех галактик. Поэтому считается, что богатые металлами центральные звезды, способные поддерживать сложную жизнь, наиболее распространены в менее плотных областях крупных спиральных галактик, где также слабое излучение.

The terrestrial example suggests that complex life requires liquid water, the maintenance of which requires an orbital distance neither too close nor too far from the central star, another scale of habitable zone or Goldilocks principle. The habitable zone varies with the star's type and age. For advanced life, the star must also be highly stable, which is typical of middle star life, about 4.6 billion years old. Proper metallicity and size are also important to stability. The Sun has a low (0.1%) luminosity variation. To date, no solar twin star, with an exact match of the Sun's luminosity variation, has been found, though some come close. The star must also have no stellar companions, as in binary systems, which would disrupt the orbits of any planets. Estimates suggest 50% or more of all star systems are binary. The habitable zone for a main sequence star very gradually moves out over its lifespan until the star becomes a white dwarf and the habitable zone vanishes. The liquid water and other gases available in the habitable zone bring the benefit of the greenhouse effect. Even though the Earth's atmosphere contains a water vapor concentration from 0% (in arid regions) to 4% (in rainforest and ocean regions) and – as of November 2022 – only 417.2 parts per million of , these small amounts suffice to raise the average surface temperature by about 40 °C, with the dominant contribution being due to water vapor. Rocky planets must orbit within the habitable zone for life to form. Although the habitable zone of such hot stars as Sirius or Vega is wide, hot stars also emit much more ultraviolet radiation that ionizes any planetary atmosphere. Such stars may also become red giants before advanced life evolves on their planets. These considerations rule out the massive and powerful stars of type F6 to O (see stellar classification) as homes to evolved metazoan life. Conversely, small red dwarf stars have small habitable zones wherein planets are in tidal lock, with one very hot side always facing the star and another very cold side always facing away, and they are also at increased risk of solar flares (see Aurelia). As such, it is disputed whether they can support life. Rare Earth proponents claim that only stars from F7 to K1 types are hospitable. Such stars are rare: G type stars such as the Sun (between the hotter F and cooler K) comprise only 9% of the hydrogen burning stars in the Milky Way. Such aged stars as red giants and white dwarfs are also unlikely to support life. Red giants are common in globular clusters and elliptical galaxies. White dwarfs are mostly dying stars that have already completed their red giant phase. Stars that become red giants expand into or overheat the habitable zones of their youth and middle age (though theoretically planets at much greater distances may then become habitable). An energy output that varies with the lifetime of the star will likely prevent life (e. g., as Cepheid variables). A sudden decrease, even if brief, may freeze the water of orbiting planets, and a significant increase may evaporate it and cause a greenhouse effect that prevents the oceans from reforming. All known life requires the complex chemistry of metallic elements. The absorption spectrum of a star reveals the presence of metals within, and studies of stellar spectra reveal that many, perhaps most, stars are poor in metals. Because heavy metals originate in supernova explosions, metallicity increases in the universe over time. Low metallicity characterizes the early universe: globular clusters and other stars that formed when the universe was young, stars in most galaxies other than large spirals, and stars in the outer regions of all galaxies. Metal rich central stars capable of supporting complex life are therefore believed to be most common in the less dense regions of the larger spiral galaxies—where radiation also happens to be weak.

Правильное расположение планет вокруг звезды

Сторонники теории редкоземельных планет утверждают, что планетарная система, способная поддерживать сложную жизнь, должна быть структурирована примерно как Солнечная система: с небольшими, скалистыми внутренними планетами и массивными внешними газовыми гигантами. Без защиты, которую обеспечивают такие "космические пылесосы" – планеты с сильным гравитационным притяжением – другие планеты подвергались бы более частым катастрофическим столкновениям с астероидами. Наблюдения экзопланет показали, что планетарные системы, подобные Солнечной, встречаются редко. В большинстве планетных систем есть суперземли, в несколько раз превышающие Землю по размеру, расположенные близко к своей звезде, в то время как внутренняя область Солнечной системы содержит лишь несколько небольших каменистых планет и ни одной внутри орбиты Меркурия. Лишь у 10% звезд есть гигантские планеты, подобные Юпитеру и Сатурну, и эти немногие редко обладают стабильными, почти круговыми орбитами, удаленными от звезды. Константин Батыгин и его коллеги полагают, что эти особенности можно объяснить тем, что на ранних этапах истории Солнечной системы Юпитер и Сатурн смещались к Солнцу, направляя потоки планетезималей к суперземлям, которые, в свою очередь, отправляли их по спирали к Солнцу, а также доставляя ледяные строительные блоки во внутреннюю, земную область Солнечной системы, предоставив материал для формирования каменистых планет. Затем эти два газовых гиганта вновь отошли на свои нынешние позиции. По мнению Батыгина и его коллег: "Совокупность случайных событий, необходимых для этой сложной "хореографии", позволяет предположить, что небольшие, подобные Земле скалистые планеты – и, возможно, сама жизнь – могут быть редкостью во Вселенной".

Постоянно стабильная орбита

Сторонники теории редкоземельных планет утверждают, что газовый гигант также не должен находиться слишком близко к телу, где зарождается жизнь. Близкое расположение одного или нескольких газовых гигантов может нарушить орбиту потенциально обитаемой планеты, либо напрямую, либо, вторгаясь в обитаемую зону. Ньютоновская динамика может приводить к хаотичным планетарным орбитам, особенно в системах с крупными планетами на сильно вытянутых орбитах. Необходимость стабильных орбит исключает звезды с планетарными системами, содержащими крупные планеты с орбитами, близкими к звезде-хозяину (так называемые "горячие юпитеры"). Считается, что горячие юпитеры мигрировали внутрь, на свои нынешние орбиты. В процессе этой миграции они могли бы катастрофически дестабилизировать орбиты любых планет в обитаемой зоне. Усугубляя ситуацию, горячие юпитеры гораздо чаще встречаются на орбитах звезд классов F и G.

Земная планета подходящего размера

Гипотеза о редкой Земле утверждает, что для возникновения жизни необходимы планеты земного типа, подобные Земле, и поскольку у газовых гигантов отсутствует твердая поверхность, сложная жизнь не может там возникнуть. Планета, которая слишком мала, не способна удержать достаточно атмосферы, что приводит к низкой и нестабильной температуре поверхности и делает существование океанов невозможным. Маленькая планета также, как правило, имеет пересеченную поверхность с высокими горами и глубокими каньонами. Её ядро будет остывать быстрее, а тектоника плит может быть кратковременной или вовсе отсутствовать. Планета, которая слишком велика, удержит слишком плотную атмосферу, как, например, у Венеры. Хотя Венера сопоставима с Землей по размеру и массе, атмосферное давление на её поверхности в 92 раза выше, чем на Земле, а температура поверхности составляет 735 К (462 °C; 863 °F). Ранняя Земля когда-то обладала подобной атмосферой, но могла потерять её в результате гигантского столкновения, в ходе которого образовалась Луна.

Тектоника плит

Сторонники теории Редкой Земли утверждают, что тектоника плит и сильное магнитное поле необходимы для биоразнообразия, регулирования глобальной температуры и углеродного цикла. Отсутствие горных цепей в других частях Солнечной системы свидетельствует о том, что Земля – единственное тело, обладающее тектоникой плит, и, следовательно, единственное, способное поддерживать жизнь. Тектоника плит зависит от правильного химического состава и длительного источника тепла, выделяемого при радиоактивном распаде. Континенты должны состоять из менее плотных фелсических пород, которые "плавают" на более плотных мафических породах. Тейлор.

Тектоника плит и, как следствие, дрейф континентов и образование отдельных массивов суши создают разнообразные экосистемы и биоразнообразие, являющееся одной из самых надежных защит от вымирания. Примером диверсификации видов и последующей конкуренции на континентах Земли служит Великий американский обмен. Северная и Средняя Америка столкнулись с Южной Америкой примерно 3,5–3 миллиона лет назад. Фауна Южной Америки эволюционировала обособленно около 30 миллионов лет, с момента отделения Антарктиды, но после соединения многие виды были вытеснены, главным образом в Южной Америке, конкуренцией со стороны североамериканских животных.

Большая луна

Луна необычна, поскольку у других каменистых планет Солнечной системы либо нет спутников (Меркурий и Венера), либо только относительно небольшие спутники, которые, вероятно, являются захваченными астероидами (Марс). После Харона Луна также является крупнейшим естественным спутником в Солнечной системе по отношению к размеру своего родительского тела, составляя 27% от размера Земли. Теория гигантского столкновения предполагает, что Луна образовалась в результате столкновения тела размером с Марс, получившего название Тея, с молодой Землей. Это гигантское столкновение также придало Земле ее осевой наклон (или наклон оси) и скорость вращения. Быстрое вращение уменьшает суточные колебания температуры и делает фотосинтез возможным. Гипотеза о редкой Земле далее утверждает, что осевой наклон не может быть слишком большим или слишком малым (относительно орбитальной плоскости). Планета с большим наклоном испытает экстремальные сезонные колебания климата. Планета с небольшим наклоном или его отсутствием лишится стимула к эволюции, который обеспечивает изменчивость климата. С этой точки зрения, наклон Земли является оптимальным. Гравитация крупного спутника также стабилизирует наклон планеты; без этого эффекта изменение наклона было бы хаотичным, что, вероятно, сделало бы невозможным существование сложных форм жизни на суше. Если бы у Земли не было Луны, океанические приливы, вызванные исключительно гравитацией Солнца, были бы лишь вполовину меньше лунных приливов. Крупный спутник порождает приливные лужи, которые могут быть необходимы для формирования сложной жизни, хотя это и не доказано. Крупный спутник также повышает вероятность тектоники плит посредством влияния приливных сил на кору планеты. Столкновение, в результате которого образовалась Луна, также могло инициировать тектонику плит, без которой континентальная кора покрыла бы всю планету, не оставляя места для океанической коры. Возможно, крупномасштабная конвекция мантии, необходимая для движения тектонических плит, не могла бы возникнуть, если бы кора имела однородный состав. Согласно другой теории, такая большая луна также может способствовать поддержанию магнитного щита планеты, постоянно воздействуя на металлическое ядро планеты как динамо, тем самым защищая поверхность планеты от заряженных частиц и космических лучей и помогая предотвратить сдувание атмосферы солнечным ветром.

The Moon is unusual because the other rocky planets in the Solar System either have no satellites (Mercury and Venus), or only relatively tiny satellites which are probably captured asteroids (Mars). After Charon, the Moon is also the largest natural satellite in the Solar System relative to the size of its parent body, being 27% the size of Earth. The giant impact theory hypothesizes that the Moon resulted from the impact of a roughly Mars sized body, dubbed Theia, with the young Earth. This giant impact also gave the Earth its axial tilt (inclination) and velocity of rotation. Rapid rotation reduces the daily variation in temperature and makes photosynthesis viable. The Rare Earth hypothesis further argues that the axial tilt cannot be too large or too small (relative to the orbital plane). A planet with a large tilt will experience extreme seasonal variations in climate. A planet with little or no tilt will lack the stimulus to evolution that climate variation provides. In this view, the Earth's tilt is "just right". The gravity of a large satellite also stabilizes the planet's tilt; without this effect, the variation in tilt would be chaotic, probably making complex life forms on land impossible. If the Earth had no Moon, the ocean tides resulting solely from the Sun's gravity would be only half that of the lunar tides. A large satellite gives rise to tidal pools, which may be essential for the formation of complex life, though this is far from certain. A large satellite also increases the likelihood of plate tectonics through the effect of tidal forces on the planet's crust. The impact that formed the Moon may also have initiated plate tectonics, without which the continental crust would cover the entire planet, leaving no room for oceanic crust. It is possible that the large scale mantle convection needed to drive plate tectonics could not have emerged if the crust had a uniform composition. A further theory indicates that such a large moon may also contribute to maintaining a planet's magnetic shield by continually acting upon a metallic planetary core as dynamo, thus protecting the surface of the planet from charged particles and cosmic rays, and helping to ensure the atmosphere is not stripped over time by solar winds.

Атмосфера

Земная планета должна быть подходящего размера, как Земля и Венера, чтобы удержать атмосферу. На Земле, после того как гигантское столкновение с Тейей истончило земную атмосферу, потребовались другие события, чтобы сделать её способной поддерживать жизнь. Поздняя тяжёлая бомбардировка вновь обеспечила Землю водой, потерянной после столкновения с Тейей. Формирование озонового слоя создало защитный экран от ультрафиолетового (УФ) излучения. Для возникновения жизни необходимо правильное соотношение азота и углекислого газа. Молнии необходимы для фиксации азота. Газообразный углекислый газ, необходимый для жизни, поступает из таких источников, как вулканы и гейзеры. Углекислый газ предпочтительнее содержать на относительно низком уровне (в настоящее время около 400 ppm на Земле), поскольку в высоких концентрациях он ядовит. Для поддержания стабильного круговорота воды необходимы осадки. Адекватная атмосфера должна снижать суточные колебания температуры.

Один или несколько эволюционных триггеров для сложной жизни

Независимо от того, редки ли планеты с физическими характеристиками, схожими с земными, некоторые утверждают, что жизнь не склонна эволюционировать во что-либо более сложное, чем простые бактерии, если её не стимулируют редкие и специфические обстоятельства. Биохимик Ник Лэйн утверждает, что простые клетки (прокариоты) возникли вскоре после формирования Земли, но поскольку почти половина существования планеты прошла до того, как они эволюционировали в сложные (эукариоты), все из которых имеют общего предка, это событие могло произойти лишь однажды. По мнению некоторых, прокариотам не хватает клеточной структуры, необходимой для эволюции в эукариоты, поскольку бактерия, увеличенная до эукариотических размеров, имела бы в десятки тысяч раз меньше энергии, доступной для поддержания её метаболизма. Два миллиарда лет назад одна простая клетка включила в себя другую, размножилась и эволюционировала в митохондрии, которые обеспечили значительное увеличение доступной энергии, что позволило эволюции сложной эукариотической жизни. Если это включение произошло только однажды за четыре миллиарда лет или в противном случае маловероятно, то жизнь на большинстве планет остаётся простой. Альтернативная точка зрения заключается в том, что эволюция митохондрий была спровоцирована факторами окружающей среды, и что организмы, содержащие митохондрии, появились вскоре после первых следов атмосферного кислорода. Эволюция и устойчивость полового размножения – ещё одна загадка биологии. Цель полового размножения остаётся неясной, поскольку у многих организмов оно связано с 50%-ным снижением приспособленности по сравнению с бесполым размножением. Типы спаривания (типы гамет, определяемые по их совместимости) могли возникнуть в результате анизогамии (диморфизм гамет), или мужской и женский пол могли развиться до появления анизогамии. Также неизвестно, почему большинство половых организмов используют бинарную систему спаривания и почему у некоторых организмов наблюдается диморфизм гамет. Чарльз Дарвин первым предположил, что половой отбор является движущей силой видообразования; без него сложная жизнь, вероятно, не смогла бы развиться.

Правильное время в эволюционной истории

Хотя жизнь на Земле, как считается, возникла относительно рано в истории планеты, эволюция от многоклеточных организмов к разумным заняла около 800 миллионов лет. Цивилизации на Земле существуют примерно 12 000 лет, а радиосвязь, достигающая космического пространства, – чуть более 100 лет. По сравнению с возрастом Солнечной системы (~4,57 млрд лет) это небольшой период, в течение которого отсутствовали экстремальные климатические колебания, супервулканы и крупные метеоритные удары. Эти события могли бы нанести серьезный ущерб разумной жизни, а также жизни в целом. Например, пермско-триасовое массовое вымирание, вызванное масштабными и непрерывными извержениями вулканов на площади, сопоставимой с Западной Европой, привело к исчезновению 95% известных видов около 251,2 миллиона лет назад. Примерно 65 миллионов лет назад удар Чиксулуба на границе мелового и палеогенового периодов (~65,5 млн лет назад) на полуострове Юкатан в Мексике вызвал массовое вымирание наиболее развитых видов того времени.

Критика

Дела, опровергающие гипотезу о редкоземельных элементах, принимают различные формы.

Гипотеза кажется антропоцентрической

Гипотеза, по сути, утверждает, что сложная жизнь редка, поскольку она может возникнуть только на поверхности планеты, подобной Земле, или на подходящем спутнике планеты. Некоторые биологи, например, Джек Коэн, считают это предположение излишне ограничивающим и лишенным воображения, рассматривая его как форму круговой аргументации. По мнению Дэвида Дарлинга, гипотеза о редкой Земле – это не гипотеза и не предсказание, а лишь описание того, как жизнь возникла на Земле. Он считает, что Уорд и Браунли не сделали ничего, кроме как подобрали факторы, наиболее подтверждающие их точку зрения. Критики также указывают на связь между гипотезой о редкой Земле и ненаучной концепцией разумного замысла.

Большое количество экзопланет вокруг звезд основной последовательности обнаружено

Все большее число экзопланет обнаруживается, и сторонники гипотезы "Редкой Земли" утверждают, что жизнь не может возникнуть за пределами систем, подобных Солнечной, из-за приливной синхронизации и ионизирующего излучения за пределами диапазона F7–K1. Однако некоторые экзобиологи предполагают, что звезды вне этого диапазона могут породить жизнь при определенных условиях; эта возможность является ключевым предметом разногласий в рамках этой теории, поскольку звезды поздних категорий K и M составляют около 82% всех водородсодержащих звезд. Индекс сходства с Землей (ESI), учитывающий массу, радиус и температуру, предоставляет способ измерения, но не охватывает все критерии гипотезы "Редкой Земли".

Каменистые планеты, вращающиеся вокруг обитаемых зон, могут быть не редкостью

Некоторые утверждают, что оценки количества скалистых планет в обитаемых зонах, используемые в концепции "Редкой Земли", слишком ограничены. Джеймс Кастинг ссылается на закон Тициуса — Боде, чтобы утверждать, что называть обитаемые зоны узкими некорректно, поскольку существует 50-процентная вероятность наличия хотя бы одной планеты на орбите внутри такой зоны. В 2013 году астрономы, анализируя данные космического телескопа "Кеплер", оценили, что примерно у одной пятой звезд типов G и K (звезд, подобных Солнцу, и оранжевых карликов) ожидается наличие планеты размером с Землю или суперземли (шириной в 1 Землю) на орбите, близкой к земной (0,25 астрономических единиц), что в сумме составляет около 8,8 миллиардов планет для всей галактики Млечный Путь.

Неопределенность в отношении роли Юпитера

Требование к системе иметь планету-гиганта в качестве защитника (фактор уравнения Редкой Земли) было поставлено под сомнение, что повлияло на количество предполагаемых событий вымирания (фактор уравнения Редкой Земли). Обзор Кастинга 2001 года, посвященный теории Редкой Земли, ставит вопрос о том, имеет ли наличие планеты-гиганта какое-либо значение для возникновения сложной жизни. Компьютерное моделирование, включая модель Nice 2005 года и модель Nice 2 2007 года, дало неоднозначные результаты в отношении гравитационного влияния Юпитера и его воздействия на внутренние планеты. Исследование Хорнера и Джонса (2008) с использованием компьютерного моделирования показало, что, хотя общее влияние на все тела Солнечной системы остается неясным, Юпитер вызвал больше столкновений с Землей, чем предотвратил. Комета Лекселла, приблизившаяся к Земле в 1770 году ближе, чем любая другая комета в зафиксированной истории, была вызвана гравитационным влиянием Юпитера.

Тектоника плит может быть не уникальной для Земли или требованием для сложной жизни

Уорд и Браунли утверждают, что для эволюции сложной жизни (фактор уравнения «Редкой Земли») необходима тектоника для генерации биогеохимических циклов, и предсказывали, что подобные геологические особенности не будут найдены за пределами Земли, указывая на отсутствие наблюдаемых горных хребтов и зон субдукции. Однако, в научном сообществе нет единого мнения относительно эволюции тектоники плит на Земле. Хотя считается, что тектонические движения начались около трех миллиардов лет назад, к этому времени фотосинтез и насыщение атмосферы кислородом уже происходили. Более того, недавние исследования указывают на то, что тектоника плит – это эпизодическое планетарное явление, и жизнь может развиваться в периоды «стагнирующей литосферы», а не в условиях тектоники плит. Недавние данные также свидетельствуют о том, что подобная активность либо уже происходила, либо продолжает происходить в других местах. Например, геология Плутона, описанная Уордом и Браунли как «без гор или вулканов, лишенная вулканической активности», включает горные хребты, такие как Тензинг Монтес и Хиллари Монтес, сопоставимые по относительному размеру с земными, и наблюдения указывают на участие эндогенных процессов. Тектоника плит была предложена в качестве гипотезы для объяснения марсианской дихотомии, а в 2012 году геолог Ан Инь представил доказательства активной тектоники плит на Марсе. Долгое время подозревалось, что на Европе существует тектоника плит, и в 2014 году NASA объявило о доказательствах активной субдукции. Анализ поверхности крупнейшего спутника Юпитера, Ганимеда, а также поверхностных материалов возможного эндогенного происхождения, позволяет предположить, что там также происходила тектоника плит. В 2017 году ученые, изучающие геологию Харона, подтвердили, что на крупнейшем спутнике Плутона также действовала тектоника ледяных плит. С 2017 года несколько исследований геодинамики Венеры также показали, что, вопреки мнению о статической литосфере Венеры, она фактически деформируется посредством активных процессов, аналогичных тектонике плит, хотя и с меньшей субдукцией, что подразумевает, что геодинамика не является редким явлением для тел размером с Землю. Кастинг предполагает, что появление тектоники плит на больших скалистых планетах и наличие жидкой воды на поверхности не является чем-то необычным, поскольку большинство из них должно генерировать внутреннее тепло даже без участия радиоактивных элементов. Коуэн и другие предполагают, что тектоника плит может быть неизбежна для планет земного типа размером с Землю или больше, то есть для «суперземель», которые, как известно, широко распространены в планетарных системах.

Ward and Brownlee argue that for complex life to evolve (Rare Earth equation factor ), tectonics must be present to generate biogeochemical cycles, and predicted that such geological features would not be found outside of Earth, pointing to a lack of observable mountain ranges and subduction. There is, however, no scientific consensus on the evolution of plate tectonics on Earth. Though it is believed that tectonic motion first began around three billion years ago, by this time photosynthesis and oxygenation had already begun. Furthermore, recent studies point to plate tectonics as an episodic planetary phenomenon, and that life may evolve during periods of "stagnant lid" rather than plate tectonic states. Recent evidence also points to similar activity either having occurred or continuing to occur elsewhere. The geology of Pluto, for example, described by Ward and Brownlee as "without mountains or volcanoes devoid of volcanic activity", and mountain ranges like Tenzing Montes and Hillary Montes comparable in relative size to those of Earth, and observations suggest the involvement of endogenic processes. Plate tectonics has been suggested as a hypothesis for the Martian dichotomy, and in 2012 geologist An Yin put forward evidence for active plate tectonics on Mars. Europa has long been suspected to have plate tectonics and in 2014 NASA announced evidence of active subduction. Like Europa, analysis of the surface of Jupiter's largest moon Ganymede strike strip faulting and surface materials of possible endogenic origin suggests that plate tectonics has also taken place there. In 2017, scientists studying the geology of Charon confirmed that icy plate tectonics also operated on Pluto's largest moon. Since 2017 several studies of the geodynamics of Venus have also found that, contrary to the view that the lithosphere of Venus is static, it is actually being deformed via active processes similar to plate tectonics, though with less subduction, implying that geodynamics are not a rare occurrence in Earth sized bodies. Kasting suggests that there is nothing unusual about the occurrence of plate tectonics in large rocky planets and liquid water on the surface as most should generate internal heat even without the assistance of radioactive elements. and Cowan suggest that plate tectonics may be inevitable for terrestrial planets Earth sized or larger, that is, Super Earths, which are now known to be more common in planetary systems.

Свободный кислород может быть не редкостью и не обязательным условием для многоклеточной жизни

Гипотеза о том, что молекулярный кислород, необходимый для жизни животных, является редким явлением и что Великое кислородное событие (фактор уравнения «Редкой Земли») могло быть вызвано и поддерживаться только тектоникой, по-видимому, была опровергнута более поздними открытиями. Уорд и Браунли задаются вопросом, «произошло бы насыщение кислородом, а следовательно, и возникновение животных, в мире, где не было бы континентов для эрозии». Внеземный свободный кислород недавно был обнаружен вокруг других твердых тел, включая Меркурий, Венеру, Марс, четыре галилеевых спутника Юпитера, спутники Сатурна Энцелад, Диону и Рею, и даже в атмосфере кометы. Это побудило ученых предположить, способны ли процессы, отличные от фотосинтеза, создавать среду, богатую свободным кислородом. Вордсворт (2014) заключает, что кислород, генерируемый не путем фотодиссоциации, может быть вероятен на Земле и подобных ей экзопланетах и даже приводить к ложноположительным результатам при обнаружении жизни. Нарита (2015) предполагает фотокатализ диоксидом титана как геохимический механизм для создания кислородных атмосфер. Поскольку Уорд и Браунли утверждают, что «существуют неопровержимые доказательства того, что кислород является необходимым компонентом для жизни животных», исследования, начатые с 2015 года, эукариотического рода Monocercomonoides, лишенного митохондриальных органелл, также имеют значение, поскольку не обнаружено признаков присутствия митохондрий в организме. С тех пор были идентифицированы другие эукариоты, особенно паразиты, полностью лишенные митохондриального генома, например, открытие 2020 года в Henneguya zschokkei. Дальнейшее изучение альтернативных метаболических путей, используемых этими организмами, представляется серьезной проблемой для исходной предпосылки. Стивенсон (2015) предложил другие мембранные альтернативы для сложной жизни в мирах, лишенных кислорода. В 2017 году ученые из Института астробиологии НАСА обнаружили необходимые химические условия для образования азотосом на спутнике Сатурна Титане, в мире, где отсутствует атмосферный кислород. Независимые исследования Ширрмейстера и Миллса показали, что многоклеточная жизнь на Земле существовала до Великого кислородного события, а не в результате его наступления. Ученые НАСА Хартман и Маккей утверждают, что тектоника плит может фактически замедлить насыщение кислородом (и, следовательно, препятствовать развитию сложной жизни, а не способствовать ей). Компьютерное моделирование Тилмана Спона в 2014 году показало, что тектоника плит на Земле могла возникнуть в результате появления сложной жизни, а не наоборот, как предполагает гипотеза «Редкой Земли». Воздействие лишайников на горные породы могло способствовать образованию зон субдукции в присутствии воды. Кастинг утверждает, что если насыщение кислородом вызвало кембрийский взрыв, то любая планета с кислород-продуцирующим фотосинтезом должна иметь сложную жизнь.

The hypothesis that molecular oxygen, necessary for animal life, is rare and that a Great Oxygenation Event (Rare Earth equation factor ) could only have been triggered and sustained by tectonics, appears to have been invalidated by more recent discoveries. Ward and Brownlee ask "whether oxygenation, and hence the rise of animals, would ever have occurred on a world where there were no continents to erode". Extraterrestrial free oxygen has recently been detected around other solid objects, including Mercury, Venus, Mars, Jupiter's four Galilean moons, Saturn's moons Enceladus, Dione and Rhea and even the atmosphere of a comet. This has led scientists to speculate whether processes other than photosynthesis could be capable of generating an environment rich in free oxygen. Wordsworth (2014) concludes that oxygen generated other than through photodissociation may be likely on Earth like exoplanets, and could actually lead to false positive detections of life. Narita (2015) suggests photocatalysis by titanium dioxide as a geochemical mechanism for producing oxygen atmospheres. Since Ward & Brownlee's assertion that "there is irrefutable evidence that oxygen is a necessary ingredient for animal life", Studies since 2015 of the eukaryotic genus Monocercomonoides that lack mitochondrial organelles are also significant as there are no detectable signs that mitochondria are part of the organism. Since then further eukaryotes, particularly parasites, have been identified to be completely absent of mitochondrial genome, such as the 2020 discovery in Henneguya zschokkei. Further investigation into alternative metabolic pathways used by these organisms appear to present further problems for the premise. Stevenson (2015) has proposed other membrane alternatives for complex life in worlds without oxygen. In 2017, scientists from the NASA Astrobiology Institute discovered the necessary chemical preconditions for the formation of azotosomes on Saturn's moon Titan, a world that lacks atmospheric oxygen. Independent studies by Schirrmeister and by Mills concluded that Earth's multicellular life existed prior to the Great Oxygenation Event, not as a consequence of it. NASA scientists Hartman and McKay argue that plate tectonics may in fact slow the rise of oxygenation (and thus stymie complex life rather than promote it). Computer modelling by Tilman Spohn in 2014 found that plate tectonics on Earth may have arisen from the effects of complex life's emergence, rather than the other way around as the Rare Earth might suggest. The action of lichens on rock may have contributed to the formation of subduction zones in the presence of water. Kasting argues that if oxygenation caused the Cambrian explosion then any planet with oxygen producing photosynthesis should have complex life.

Магнетосфера может быть не редкостью или требованием

Важность магнитного поля Земли для развития сложной жизни остаётся предметом споров. Происхождение магнитного поля Земли остаётся загадкой, хотя наличие магнитосферы, по-видимому, довольно распространено для объектов планетарной массы большего размера, поскольку все планеты Солнечной системы, превышающие Землю по массе, обладают магнитосферой. Наблюдается всё больше свидетельств текущей или прошлой магнитной активности у таких небесных тел, как Луна, Ганимед, Меркурий и Марс. В отсутствие достаточных измерений, современные исследования в значительной степени опираются на методы моделирования, разработанные в 2006 году Олсоном и Кристенсеном для прогнозирования напряжённости поля. Используя выборку из 496 планет, эти модели предсказывают, что Kepler 186f – одна из немногих планет земного размера, способных поддерживать магнитосферу (хотя наличие такого поля вокруг этой планеты пока не подтверждено). Кастинг утверждает, что атмосфера обеспечивает достаточную защиту от космических лучей даже во время инверсии магнитных полюсов и потери атмосферы вследствие распыления.

Большая луна может быть ни редкой, ни необходимой.

Требование наличия крупной луны (фактор уравнения "Редкой Земли") также было поставлено под сомнение. Даже если бы это было необходимо, подобное событие может оказаться не таким уникальным, как предсказывает гипотеза "Редкой Земли". Работы Эдварда Белбруно и Дж. Ричарда Готта из Принстонского университета показывают, что гигантские объекты-импакторы, подобные тем, что могли сформировать Луну, действительно могут образовываться в планетарных троянских точках (или точках Лагранжа), что означает, что аналогичные обстоятельства могут возникать и в других планетных системах. Утверждение о том, что стабилизация наклона оси и скорости вращения Земли Луной является необходимым условием для существования сложной жизни, также подвергается сомнению. Кастинг утверждает, что Земля без луны все равно могла бы иметь среды обитания с климатом, подходящим для сложной жизни, и ставит вопрос о том, можно ли предсказать скорость вращения Земли без луны. Многие сторонники гипотезы "Редкой Земли" полагают, что тектоника плит на Земле, вероятно, не возникла бы без приливных сил Луны или удара Тейи (продолжающихся эффектов мантии). Гипотеза о том, что приливное влияние Луны инициировало или поддерживало тектонику плит Земли, остается недоказанной, хотя одно исследование указывает на временную корреляцию с образованием Луны. Доказательства существования тектоники плит на планетах, таких как Марс, которые, возможно, никогда не имели крупной луны, противоречат этому аргументу, хотя тектоника плит может прекратиться и до того, как луна станет фактором, влияющим на жизнь. В то время как сторонники гипотезы "Редкой Земли" утверждают, что за пределами Земли в подповерхностных средах обитания могут существовать только микробы-экстремофилы, некоторые считают, что сложная жизнь также может возникать в этих условиях. Примеры экстремофильных животных, таких как Hesiocaeca methanicola, обитающая на дне океана в метановых клатратах – веществах, более распространенных во внешней Солнечной системе, тихоходки, способные выживать в космическом вакууме, или Halicephalobus mephisto, существующая при огромном давлении, высоких температурах и крайне низком содержании кислорода на глубине 3,6 километра (2,2 мили) в земной коре, иногда приводятся критиками как примеры сложной жизни, способной процветать в "чуждых" средах. Джилл Тартер опровергает классический контраргумент о том, что эти виды адаптировались к этим средам, а не возникли в них, предполагая, что мы не можем предполагать условия для возникновения жизни, которые на самом деле неизвестны. Существуют предположения, что сложная жизнь может возникнуть в подповерхностных условиях, которые могут быть похожи на те, в которых жизнь могла возникнуть на Земле, например, в приливно нагретых подповерхностях Европы или Энцелада. Древние циркумвентальные экосистемы, подобные этим, поддерживают сложную жизнь на Земле, такую как Riftia pachyptila, которая существует полностью независимо от поверхностной биосферы.

The requirement of a large moon (Rare Earth equation factor ) has also been challenged. Even if it were required, such an occurrence may not be as unique as predicted by the Rare Earth Hypothesis. Work by Edward Belbruno and J. Richard Gott of Princeton University suggests that giant impactors such as those that may have formed the Moon can indeed form in planetary trojan points ( or Lagrangian point) which means that similar circumstances may occur in other planetary systems. The assertion that the Moon's stabilization of Earth's obliquity and spin is a requirement for complex life has been questioned. Kasting argues that a moonless Earth would still possess habitats with climates suitable for complex life and questions whether the spin rate of a moonless Earth can be predicted. Many Rare Earth proponents argue that the Earth's plate tectonics would probably not exist if not for the tidal forces of the Moon or the impact of Theia (prolonging mantle effects). The hypothesis that the Moon's tidal influence initiated or sustained Earth's plate tectonics remains unproven, though at least one study implies a temporal correlation to the formation of the Moon. Evidence for the past existence of plate tectonics on planets like Mars which may never have had a large moon would counter this argument, although plate tectonics may fade anyway before a moon is relevant to life. While Rare Earth proponents argue that only microbial extremophiles could exist in subsurface habitats beyond Earth, some argue that complex life can also arise in these environments. Examples of extremophile animals such as the Hesiocaeca methanicola, an animal that inhabits ocean floor methane clathrates substances more commonly found in the outer Solar System, the tardigrades which can survive in the vacuum of space or Halicephalobus mephisto which exists in crushing pressure, scorching temperatures and extremely low oxygen levels 3.6 kilometres ( 2.2 miles) deep in the Earth's crust, are sometimes cited by critics as complex life capable of thriving in "alien" environments. Jill Tarter counters the classic counterargument that these species adapted to these environments rather than arose in them, by suggesting that we cannot assume conditions for life to emerge which are not actually known. There are suggestions that complex life could arise in sub surface conditions which may be similar to those where life may have arisen on Earth, such as the tidally heated subsurfaces of Europa or Enceladus. Ancient circumvental ecosystems such as these support complex life on Earth such as Riftia pachyptila that exist completely independent of the surface biosphere.