Pod lodową kopułą – spekulacje na temat form życia na Europie i Enceladusie.

Tak fantastyka naukowa, jak i nauka przyzwyczaiły nas, że poszukując pozaziemskiego życia, poszukujemy światów bardzo określonego typu: planety skalistej o rozmiarach maksymalnie zbliżonych do naszego ojczystego świata, położonej w odpowiedniej odległości od swojej macierzystej gwiazdy, posiadającego stabilną orbitę i oś obrotu, najlepiej stabilizowaną obecnością odpowiednio dużego księżyca, i oczywiście zróżnicowaną powierzchnię pokrytą w dostatecznym procencie zbiornikami ciekłej wody z rozpuszczonymi w niej związkami chemicznymi stanowiącymi „cegiełki życia” oraz otoczonego grubą, tlenową atmosferą. Wielu jako dodatkowe cechy wymienia również dostatecznie silne pole magnetyczne oraz odpowiednie sąsiedztwo innych planet. Cały ten zawiły i bogaty opis można podsumować krótko: poszukując pozaziemskiego życia, de facto szukamy drugiej Ziemi.

Przynajmniej tak było przez długie lata. Taki sam obraz królował również w programach popularnonaukowych i dlatego też jest tak ugruntowany w fantastyce. Okres rozpaczliwego poszukiwania i opisywania „drugiej ziemi” nie był jednak pierwszym z trendów w fantastyce naukowej. Zastąpił on poprzedzający go bezpośrednio nurt zakładający, że niemal każdy świat, nie tylko w naszym Układzie Słonecznym, ale i w całym wszechświecie, zdolny jest do utrzymania takiego czy innego życia. Podejście to, zwane Pluralizmem Astronomicznym / Astrobiologicznym, swymi korzeniami sięga aż czasów starożytnych, jednak, z braku naukowych danych, przez bardzo długi czas było dziedziną rozważań czysto filozoficznych. Pierwsze teleskopowe obserwacje Wenus, Marsa, Jowisza, Saturna oraz ich księżyców nie zmieniły wiele, głównie dlatego, że nadal nie dostarczały zbyt wielu szczegółowych informacji. Ponadto niedoskonałość sprzętu użytego do badań sprzyjała powstawaniu licznych artefaktów, przekłamań i błędnych interpretacji, z których najsłynniejszym zostały „Marsjańskie kanały”. Dopiero szerszy rozwój badań teleskopowych i później także kosmicznych pozwolił na weryfikację wielu wcześniejszych teorii i przypuszczeń, dostarczając także danych do dalszych analiz, niestety kładąc zarazem kres licznym fantazjom o Marsjańskich cywilizacjach, szalonych lasach Io czy Piratach z Wenus. Można by nawet powiedzieć, że wraz z rozwojem badań kosmicznych zaczęło się największe w dziejach wszechświata wielkie wymieranie nieistniejących gatunków.

To nieuchronne zderzenie z rzeczywistością zaowocowało zmianą w sposobie myślenia. Wcześniejsi badacze kosmosu, popularyzatorzy nauki i fantaści musieli zmierzyć się z pytaniem Fermiego „Gdzie oni są?”. Przyjęty przez następne pokolenie badaczy tok myślenia był dość prosty: skoro, jak na razie, poza Ziemią nie znajdujemy oznak życia, to muszą być po temu konkretne przyczyny. Doprowadziło to do spisania podstawowych cech odróżniających naszą planetę od innych w Układzie Słonecznym. Wspomniany już wyżej opis stał się podstawą do poszukiwania życia.

Ekosfera, zwana też inaczej Strefą Złotowłosej, to sfera, w której na powierzchni planet może występować ciekła woda lub szerzej strefa warunków, które sprzyjają powstaniu życia. W Układzie Słonecznym w strefie Złotowłosej znajdują się nie tylko Ziemia, ale i dwoje jej najbliższych sąsiadów: Wenus oraz Mars. Wszystkie trzy są planetami skalistymi o względnie podobnych rozmiarach.

Jednak na Wenus nie ma ciekłej wody. Jej gruba atmosfera i spowodowany przez nią gigantyczny efekt cieplarniany sprawia, że na powierzchni planety temperatura osiąga nawet 460 C. Do obserwowanego stanu swoją cegiełkę dokładają też brak tektoniki płyt i aktywność wulkaniczna. Na powierzchni planety nie znajdziemy też biolochemicznych cegiełek życia. Wieki teleskopowych obserwacji Marsa, liczne misje sond kosmicznych i łazików eksplorujących jego powierzchnię, nie ujawniły bujnego rozwoju biosfery, mimo że w marsjańskiej glebie odkryto pewne ilości ciekłej wody, a w jego atmosferze występują pewne ilości metanu. Uważa się, że dzieje się tak dlatego, iż stopień promieniowania docierający do powierzchni planety jest zbyt duży, a winę za to ponoszą zbyt cienka atmosfera i brak pola magnetycznego, oba zjawiska powiązane zaś są z wystygnięciem jądra planety. Już w 2016 roku stwierdzono, że sama ekosfera nie jest wystarczająca do podtrzymania życia i planeta od początku musi posiadać właściwą aktywność wewnętrzną. Na Wenus była ona za wysoka, na Marsie zaś zbyt niska. Liczne rozważania teoretyczne, wsparte obserwacjami i wynikami analiz danych pochodzących zarówno z tych jak i innych ciał niebieskich w Układzie słonecznym, doprowadziły w końcu do przeformułowania listy warunków niezbędnych do powstania życia. Obecnie są to: woda w stanie ciekłym, chemiczne „cegiełki życia” oraz źródło energii. Stabilna orbita, oś obrotu, a nawet odległość od słońca, zostały zaś uznane za cechy drugorzędne.

Nagle okazało się, iż w naszym układzie planetarnym istnieją globy posiadające odpowiedni stopień aktywności geologicznej i bogate w ciekłą wodę. Nie są to jednak planety, a księżyce. Ciała niebieskie jeszcze do niedawna pomijane niemal zupełnie w poszukiwaniach pozaziemskiego życia.

Już 1979 r. dwie sondy kosmiczne Voyager I i II dostarczyły pierwszych wskazówek, że na Europie może znajdować się woda w stanie ciekłym. Podejrzenia te potwierdzały również naziemne teleskopy, wraz ze statkiem kosmicznym Galileo i teleskopami kosmicznymi. Również nasilające się w latach dwutysięcznych badania księżyców Saturna ujawniły, iż jeden z nich – Enceladus również może posiadać skryty pod lodową powłoką ocean. Jak nietrudno się domyślić Fantaści zareagowali na te rewelacje szybciej niż środowisko naukowe. Dekady temu fantastyka naukowa oferowała hipotetyczne scenariusze, w których księżyce wielkich gazowych olbrzymów mogą utrzymać bujne ekosystemy. I choć Europie (drugiemu księżycowi Jowisza) i Enceladusowi (drugiemu księżycowi Saturna) daleko wyglądem do powszechnie kojarzonych z popkultury księżyców Yawina IV, Endoru czy Pandory, nie są one bowiem pokryte bujnymi lasami, lecz grubym lodem, liczni pisarze fantastyki nie wykluczali, iż obce życie mogło rozwinąć się w oceanie pod lodową powierzchnią Europy. Powieści Arthura C. Clarka, („2010: Odyssey Two” i „2061: Odyssey Three”) oraz Dana Simmonsa („Ilium”) i innych, a także opowiadanie Caitlín R. Kiernan („Riding the White Bull”) sprawiły iż Europa i inne lodowe księżyce znalazły się nagle w świetle naukowych (nomen omen) jupiterów. Dalsze badania wskazują, iż wizje fantastów mogą być zaskakująco bliskie rzeczywistości, bowiem panujący na lodowych księżycach specyficzny zestaw warunków czyni je drugim, zaraz po Ziemi, miejscem w Układzie Słonecznym, gdzie naukowcy spodziewają się istnienia złożonej biosfery. Poznajmy więc bliżej scenografię dla tego nowego, na razie hipotetycznego, teatru życia…

Europa jest czwartym co do wielkości księżycem Jowisza, szóstym w całym układzie słonecznym, ze średnicą stanowiąca zaledwie jedna czwartą średnicy Ziemi, co czyni ją większą od Plutona. Naukowcy uważają, że lodowa skorupa Europy ma grubość od 15 do 25 km. Przedstawiają też trzy następujące fakty, które dowodzą, iż pod powierzchnią Europy znajduje się głęboki ocean.

• Dane z sondy kosmicznej Galileo wykryły indukowane pole magnetyczne w pobliżu powierzchni Europy. Sugeruje to, iż w głębi lodowego globu znajduje się znaczna ilość silnie przewodzącego materiału (np. słonej wody)
• Znajdujące się na powierzchni Europy grzbiety, pęknięcia i wielokierunkowe struktury uderzeniowe, sugerują obecność płynnego materiału poniżej.
• pęknięcia i grzbiety na dużą skalę podobne są do tych, które ograniczają ziemskie płyty tektoniczne. By powstały, pod lodową skorupą, musi znajdować się warstwa płynnej lub przynajmniej półpłynnej, materii, która ją wspiera i pozwala jej się poruszać.

Naukowcy szacują, iż lodowa skorupa Europy unosi się na oceanie o głębokości od 60 do 150 km. Zatem chociaż Europa ma tylko jedną czwartą średnicy Ziemi, jej ocean może zawierać dwa razy więcej wody niż wszystkie Ziemskie oceany razem wzięte.

Dodatkowo oceany Europy są słone. Badacze uważają, że wody lodowego księżyca bogate są w rozpuszczone jony, zwłaszcza jony magnezu, sodu, potasu i chloru. To dobry znak, gdyż jak wspominano wcześniej chemiczne czysta woda to za mało by życie mogło się rozwinąć. Obecność licznych jonów w wodzie oznacza, iż gdzieś w głębi tego lodowego globu tkwi jego skaliste serce, a skały te są źródłem różnego rodzaju pierwiastków. Również sama lodowa skorupa Europy może dostarczać budulca dla życia. Lód na powierzchni Europy jest bowiem nieustannie bombardowany promieniowaniem Jowisza, które może zmienić zawarte w nim związki chemiczne i jony w niektóre z chemicznych budulców życia. W warunkach tych powstaje bowiem nie tylko wolny tlen czy nadtlenek wodoru, ale i dwutlenek węgla i dwutlenek siarki. te zaś w połączeniu z obecnymi już w wodzie jonami pochodzącymi ze skalistego dna, mogą tworzyć podstawowe biochemiczne cegiełki życia.

Enceladus z kolei jest stosunkowo niewielkim satelitą. Jego średnica wynosi około 500 kilometrów, czyli siedem razy mniej niż średnica ziemskiego Księżyca. Jego powierzchnia jest stosunkowo młoda, bogata w struktury takie jak kratery, gładkie równiny oraz rozległe szczeliny i grzbiety. Ze szczelin tych wyrzucane są strumienie pary i pyłu, tak zwane lodowe gejzery, które są źródłem znacznej części materiału do lodowych pierścieni Saturna. Są one dowodem na występowanie ciekłej wody pod lodową powłoką Enceladusa. Część deformacji powierzchni na Enceladusie stanowią także tak zwane tygrysie pasy, ich dokładniejsze obserwacje wykazały, że struktury te są stosunkowo podobne do ziemskich grzbietów oceanicznych i podobnie jak one związane są z procesem rozrostu lodowej skorupy. Ten jednak w odróżnieniu od ziemskiego spreadingu, jest procesem asymetrycznym o czym świadczyć mogą inne struktury obserwowane na powierzchni lodowego księżyca, a które przypominaj porzucone ryfty.

Jak wspomniano wcześniej życie wymaga do istnienia nie tylko ciekłej wody, ale i źródła energii. Jednak w odległość przekraczalnej 750 milionów kilometrów od Słońca i pod kilku kilometrową warstwą lodu nie może nim być światło. I tu powraca temat aktywności geologicznej. Jak już wspomniano, występujące na powierzchni Enceladusa pęknięcia, szczeliny i inne deformacje terenu (zwłaszcza „tygrysie Pasy”) sugerują, iż zachodzą na nim złożone zjawiska tektoniczne. Podobnie powierzchna Europy pokryta jest licznymi liniami świadczącymi o dynamicznych zmianach jakim podlega. Jest to o tyle niezwykłe, iż tak Europa, jak i Enceladus są zbyt małymi globami, by zachodzące w ich wnętrzu reakcje rozpadu pierwiastków promieniotwórczych mogły dostarczać energii niezbędnej do utrzymania obserwowanej aktywności. W związku z tym wnętrze każdego z nich powinno ostygnąć dawno temu. Tak się jednak nie stało.

Tak Europa jak i Enceladus zawdzięczają swa wewnętrzną aktywność masywnym planetom, wokół których orbitują. Odpowiada za to zjawisko zwane grzaniem pływowym i jest lepiej opisane dla II księżyca Jowisza. Europa orbituje w potężnym polu grawitacyjnym Jowisza. To silne przyciąganie grawitacyjne powoduje, że księżyc jest zablokowany na orbicie z jedną półkulą stale zwróconą w stronę Jowisza. Krążąc po eliptycznej orbicie Europa naprzemiennie zbliża się i oddala od okrążanej planety. Skutkuje to naprzemiennym wzrostem i spadkiem siły z jaką Jowisz oddziałuje grawitacyjnie na Europę, powodując ciągłe rozciąganie i ściskanie całego księżyca, przy każdym jego obiegu dookoła planety. Ten wewnętrzny ruch w połączeniu z siłami grawitacyjnymi wywieranymi przez sąsiednie księżyce wytwarzają tarcie wewnętrzne i przyczyniają się do rozgrzewania skalistego jadra Europy. Powstałe w ten sposób wewnętrzne ciepło Europy może stanowić źródło energii, która utrzymuje w stanie ciekłym ocean, znajdujący się pod lodową skorupą, a także dostarcza energii niezbędnej do zachodzenia procesów biochemicznych. Grzanie pływowe najprawdopodobniej jest również źródłem ciepła na Enceladusie.

Jak więc ustaliliśmy na Europie i Enceladusie z dużym prawdopodobieństwem możemy znaleźć dwa niezbędne do istnienia życia czynniki: ciekłą wodę oraz źródło energii. Z dużym prawdopodobieństwem mogą tam istnieć też niezbędne biochemiczne cegiełki życia. Jednak jak życie mogło powstać w oceanie, którego powierzchni nigdy nie dotyka słońce. Jak może ono wyglądać? jakie prawa przyrody rządzą w tym mrocznym zimnym oceanie skrytym pod wiecznym lodowym sarkofagiem lodowych księżyców?

Co do teorii opisujących powstanie życia w podmorskich głębinach, najbardziej sensowną i spójną wydaje się tu, proponowana także dla przypadku ziemskiej biosfery, teoria kominów hydrotermalnych. Są to szczeliny z których wydostaje się gorąca woda bogata w związki chemiczne, takie jak dwutlenek węgla, metan, a także związki siarki i żelaza. Kominy hydrotermalne występują zazwyczaj w miejscach o wysokiej aktywności wulkanicznej. Na Ziemi środowiska wokół takich struktur, choć niezwykle ekstremalne są też miejscem rozwoju bogatej biosfery, a żyjące tam organizmy korzystają wyłącznie ze składników odżywczych zgromadzonych w osadach chemicznych i płynach hydrotermalnych, wśród których przyszło im bytować. Część naukowców zajmujących się powstaniem życia na naszej planecie sugeruje ze wysoki potencjał oksydoredukcyjny, porowatość skał tworzących kominy i bogactwo rożnego rodzaju składników chemicznych, a także znaczna ilość energii geotermicznej mogły sprawić, iż życie w głębinach Europy czy Enceladusa mogło rozwinąć się nawet bez dopływu energii słonecznej.

Specyficzne warunki w jakich rozwijały by się żyjące na lodowych księżycach organizmy sugerują, że podstawą ich łańcuchów troficznych byłyby zapewne chemoautotrofy, czyli organizmy wytwarzajcie substancje odżywcze z energii chemicznej, nie zaś słonecznej jak robią to ziemskie rośliny czy glony. Na Ziemi sztukę chemosyntezy opanowały jedynie niektóre Bakterie i Archary, którym nigdy nie udało się opanować oddychania tlenowego, które dostarcza organizmom znacznie więcej energii niż każda znana forma glikolizy, a co za tym idzie nigdy nie osiągnęły stadium organizmów wielokomórkowych. Jeśli sprawy mają się podobnie na Europie czy Enceladusie, to ich biosfera, choć bogata, może być nadal niezwykle prosta i mikroskopijna. Jednak nie wykluczone, że na innym globie historia mogła potoczyć się inaczej. Zakładając, że tak się stało, na lodowych księżycach rozwinęłyby się w końcu bujne podmorskie ekosystemy, a żyjące w nich organizmy z pewnością wypełniłyby wszystkie znane nam nisze ekologiczne właściwe tego typu układom. Tak więc prócz chemoautotrofiznych odpowiedników podmorskich roślin, rozwinęłyby się żywiące się nimi zwierzęta – spokojni „chemoautotrofożercy”, wielorybopodobne filtratory żywiące się chemoplanktonem oraz polujące na nie drapieżniki, czy żerujące na innych organizmach pasożyty, a także drobne organizmy oczyszczające oceany z resztek martwej materii organicznej. Żyły by tam organizmy wszelkiego kształtu i rozmiaru. Ich wygląd jest dziś dla nas praktycznie niewyobrażalny. Artyści a nawet i naukowcy próbujący przedstawić jakoś te ekosystemy niepojętych mroźnych głębin, często opierają swe predykcje na wyglądzie i przystosowaniach współczesnych mieszkańców ziemskich oceanów, zapominając często, że fakt, iż nasze życie wygląda tak a nie inaczej to w sporej mierze wynik dziejowej loterii życia i śmierci. Na ten przykład na Ziemi dominują organizmy o symetrii bilateralnej oraz o parzystym układzie kończyn. Organizmy o innych typach budowy, jak nieregularne gąbki, promieniście symetryczne koralowce, żebropławy czy szkarłupnie z ich wtórną symetrią pięciopromienną to jedynie mały ułamek współczesnego świata ożywionego. Jednak nie zawsze tak było. Na przełomie proterozoiku i fanerozoiku życie przyjmowało wiele szalonych form nie reprezentowanych dziś przez żadnych żyjących potomków. Podobnie biosfera lodowych księżyców, może być całkowicie niepodobna do współczesnych mieszkańców oceanu. Kształt ich ciała może nie być wyznaczony tylko jedną osią symetrii lub też liczba ich kończyn czy przydatków nie musi być parzysta. Oceany lodowych księżyców mogą tętnić życiem bardziej podobnym do organizmów takich jak Dickinsonia, Vendoglossa, Aspidella – przedstawicieli fauny ediakarskiej, lub też pochodzące z łupków z Burgess pięciu-oka Opabinia, przedziwne Wiwaxia, Burgessochaeta czy Hallucigenia.

Ten bogaty świat byłby jednak światem wiecznego mroku. Żadne z żyjących tam stworzeń nie będzie znało słońca, a jedyne rozpoznawalne dla nich źródło nikłego światła stanowiłyby szczeliny podmorskich wulkanów. Najpewniej więc u organizmów tych nie rozwiną się zaawansowane oczy, bo jaki byłby z nich pożytek w nieprzeniknionych ciemnościach. Wśród żyjących tam organizmów dominować pewnie będą wyczulone zmysły takie jak zmysł dotyku czy zmysły chemiczne, może też zmysł elektromagnetyczny pozwalający wyczuwać aktywność układów nerwowych innych istot. Mało też prawdopodobnym jest by mieszkańcy oceanów Europy czy Enceladusa mogli poszczycić się bogatą paletą barw. Jeśli nawet występować będzie u nich jakiegoś typu zabarwienie będzie ono raczej efektem ubocznym innych przystosowań. Również bioluminescencja tak popularna wśród głębinowych organizmów w Ziemskich ocenach, nie będzie tu raczej częstym zjawiskiem, bowiem wabienie światłem ślepych ofiar ma raczej niewielki sens. Być może gdyby, podobnie jak zabarwienie, wystąpiła przypadkowo, to być może jej istnienie doprowadziłoby w końcu do rozwoju jakiegoś rodzaju prostych komórek światłoczułych czy prostych oczek u niektórych organizmów, czy to polujących na organizmy bioluminescencyjne, czy też będących ich ofiarami.

Stałoby się tak dlatego, iż, jakkolwiek obce byłyby istoty żyjące w zimnych i mrocznych głębinach, ich życiem rządziłyby te same prawa co istotami zamieszkującymi naszą planetę. Tak samo jak my i nasi przodkowie, mieszkańcy lodowych księżyców zależni byliby od zmian w ich ekosystemach i losowych mutacji, tak samo podlegali siłom doboru naturalnego i wszystkim innym mechanizmom ewolucji. Co za tym idzie, gdy w końcu zajrzymy w odmęty oceanów Europy czy Enceladusa by odnaleźć w nich życie, niezależnie jak szalone i przedziwne wydać by się nam ono mogło, w końcu uda nam się je zrozumieć nie gorzej niż rozumiemy życie na naszym własnym globie.

Autor: Weronika Erdmann
Ilustracja nagłówka: Mauricio Pampin

BIBLIOGRAFIA:

1. An Introduction to Astrobiology, red. D. A. Rothery; I. Gilmour; M. A. Septhon, Cambridge University Press, Cambridge, UK 2011; s. 127-170.
2. C. C. Cockell, Astrobiology: Understanding Life in the Universe, John Wiley & Sons Ltd, Hoboken, USA 2015; s. 48, 103, 123, 140, 210-211, 301, 342-347, 349-352.
3. D. Darling. Life is everywhere: The Maverick Science of Astrobiology, New York: Basic Books, USA 2001; s. 67–70.
4. Frontiers of Astrobiology, red. C. Impey; J. Lunine; J. Funes, Cambridge University Press, Cambridge, UK 2012; s. 179-185.
5. Handbook of Astrobiology, red. V. M. Kolb, CRC Press, Boca Raton, USA. 2019; s. 685-686, 787-789.
6. NASA, Europa: Overview
7. NASA, Europa: In Depth

---

Weronika Erdmann: Doktorantka na Wydziale Biologii UAM i geolog zagrożeń. Laureatka programu Diamentowy Grant, dwukrotna laureatka stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz wielokrotna laureatka stypendium Rektora UAM, obecnie prowadząca badania w ramach programu Preludium. W swojej pracy zajmuje się wpływem warunków hipomagnetycznych na żywe organizmy, zwłaszcza na niesporczaki. W tematyce tej opublikowała kilka artykułów w tym „Can the tardigrade Hypsibius dujardini survive in the absence of the geomagnetic field?” który ukazał się w 2017 roku na łamach PLoS ONE. Interesuje się też szeroko pojętą astrobiologią, zwłaszcza teorią panspermii, w których to tematach wypowiadała się na licznych konferencjach w tym EANA: Astrobiology Conference (w latach 2013-2019) oraz Meet the Space. W ramach swoich studiów geologicznych szczególną uwagę poświęciła zaś wulkanom i lodowcom Islandii.