Физиологическая адаптация жизни на планете, вращающейся вокруг красного гиганта.

Допустим, существует экзопланета, похожая на Землю, которая вращается вокруг обычной звезды с аналогичным процессом эволюции жизни на Земле, но звезда стала красным гигантом в ходе этой эволюции. Предполагая, что экзопланета находилась в зоне Златовласки во время и после перехода от обычной звезды к красному гиганту, а продолжительность жизни красного гиганта все еще составляет миллиард лет после перехода...

Как бы жизнь адаптировалась, чтобы воспользоваться этим, если бы не было разумных организмов?

Будут ли на планете преобладать фотосинтезирующие растения из-за повышения эффективности за счет скорости преобразования солнечной энергии?

Станут ли мутации более распространенными из-за увеличения солнечной радиации?

Если бы у планеты была медленная скорость вращения, могли бы растения разработать новый носитель для хранения солнечной энергии, оставшись без постоянного источника?

Будут ли животные склонны к хладнокровию и/или у них разовьются фотосинтетические черты, возможно, с подобием синтеза витамина D у людей?

Рад видеть, что вы провели исследование красных гигантов, живущих один миллиард лет. Возможно, экзопланета останется в зоне Златовласки как до, так и после перехода к красному гиганту. Если бы он находился только в обитаемой зоне во время и после перехода, было бы очень холодно. Экзопланета-снежок. Не годится для эволюции жизни. Миша зависит от того, как перемещается зона Златовласки, переходя от обычной звезды к красному гиганту. Вы должны уточнить это в своем вопросе. Это интересный вопрос, но вам, возможно, следует уделить ему больше внимания.
Следует отметить одну вещь: красная звезда производит меньше УФ-излучения и энергии, чем желтая звезда. Растения будут темнеть, пытаясь поглотить как можно больше энергии, а слабое солнечное излучение не будет проникать в воду очень глубоко.
@2a4android Возможно, орбита планеты начала двигаться по мере роста звезды. Мы видели блуждающие планеты в других системах, и физики думают, что это могло произойти даже с внешними планетами в первые годы существования Солнечной системы. Усиление солнечного ветра за миллиарды лет определенно может поднять орбиту планеты, а другие планеты также будут давать дополнительный гравитационный толчок при своем движении. И если бы такая планета двигалась вместе со своей обитаемой зоной, на ней могла бы быть жизнь на миллиард лет старше нас.
Давайте проигнорируем неправдоподобность относительно формирования жизни до того, как звезда стала красным гигантом. Если бы звезда была похожа на Бетельгейзе, но находилась бы на таком расстоянии относительно экзопланеты, где она могла бы поддерживать температуру поверхности планеты на уровне около 30 градусов по Цельсию. Согласно этому , температура звезды около 3000 кельвинов, так что, если бы она была ближе к планете, могла бы она поддерживать теплую температуру поверхности?
Поскольку температура красных гигантов составляет примерно половину температуры нашего Солнца, если предположить, что их солнечная масса также равна 0,5 массы нашего Солнца, произойдет ли увеличение гравитации или планета сможет вращаться по нормальной орбите? Кажется, что более близкое сближение компенсирует отсутствие температуры, а уменьшение вдвое массы, кроме того, компенсирует повышенную гравитацию из-за более близкого сближения.
@DanClarke 10-е, 11-е и 12-е изображения подтверждают ваше утверждение о цвете листьев, однако многие из этих утверждений , похоже, утверждают, что растения не поглощают ультрафиолетовый свет или, по крайней мере, не используют его для фотосинтеза. Я изучил эти утверждения, хотя не могу найти никакой информации о том, действительно ли растения поглощают ультрафиолет. Кажется, что они используют красные и синие длины волн света, поскольку они наиболее обильно излучаются нашим Солнцем.
@Lutro, растения не будут сильно заботиться об УФ-излучении, но причина того, что растения поглощают как можно больше различных длин волн, заключается в низкой выходной энергии. Холодная красная звезда не производит столько энергии, как желтая или синяя, поэтому растения не могут быть привередливыми.

Ответы (4)

Температура и светимость

Начнем с некоторых расчетов. Ради аргумента я предположу, что мы говорим о планете, идентичной Земле, вращающейся вокруг звезды, идентичной Солнцу. Чтобы быть как можно более щедрым, я предположу, что этот красный гигант расширяется примерно до ∼ 200 солнечных радиусов — всего 0,93 а.е. — и охлаждается примерно до 2800 Кельвинов. Поэтому его радиус увеличился в 200 раз, а температура упала вдвое по сравнению со значением на главной последовательности. Теперь мы можем аппроксимировать звезду как черное тело, имея в виду, что ее светимость описывается выражением

л ∝ р 2 Т 4
по закону Стефана-Больцмана . Следовательно, красный гигант будет иметь светимость ∼ В 2500 раз больше, чем у Солнца — почти нижняя граница моделей будущего нашего Солнца. Эффективная температура планеты масштабируется как
Т е ф ф ∝ л р 2 4
куда р это расстояние до звезды, и поэтому на ее текущем расстоянии равновесная температура Земли будет примерно в 7 раз больше ее текущего значения, около 2029 Кельвинов. Теперь, к счастью для любых форм жизни на планете, радиус орбиты планеты может увеличиваться по мере того, как звезда теряет массу, что происходит значительно быстрее в фазе красного гиганта. Великодушно, Земля могла бы двигаться на орбитальный радиус ∼ 1,5 а.е. Если бы мы предположили еще большую скорость потери массы для этой звезды, не исключено, что Земля могла бы удалиться на расстояние до 2 а.е. Следовательно, если мы пересчитаем температуру, то найдем, что Т е ф ф падает до 507 Кельвинов или всего лишь 453 ∘ Ф. Эй, это все же лучше, чем Венера!

Возможные адаптации

Я думаю, что классическая картина жизни на планете, вращающейся относительно близко к красному гиганту, предполагает совершенно негостеприимную поверхность. Я согласен; 453 ∘ F слишком жарко для жизни, как мы знаем, чтобы жить без тени. Даже термофилы не могли выжить; знаменитые штаммы 121 и 116 , которые могут жить при 250 ∘ F - сварится. Я бы сказал, что ночью ситуация не улучшится. Теплопередача в атмосфере планеты невероятно сложна, поэтому я не могу дать вам точные цифры, но тепловая инерция воздуха должна быть намного, намного ниже, чем в настоящее время, чтобы ночью происходило какое-либо значительное охлаждение. Любые организмы, пытающиеся вести ночной образ жизни, потерпят неудачу.

Поэтому нам приходится уходить под землю в поисках убежища, что является проблемой, потому что это означает, что фотосинтез может быть невозможен. Хемосинтез возможен, как и термосинтез , который, как я уже говорил ранее , был возможным метаболическим механизмом ранней жизни на Земле. Если я могу вызвать здесь термосинтез, то я укажу, что, поскольку вам понадобится большой градиент тепла, чтобы он был эффективным, эта планета может быть как раз созрела для его развития и процветания. Что касается того, как именно это может быть реализовано, я пока оставлю это вам.

Похоже, что цианобактерии могут жить глубоко под землей , перерабатывая газообразный водород, используя цепочку, подобную фотосинтезу, в которой не используется свет. Это довольно невероятно и означает, что подземная жизнь действительно возможна. Возможно, эти цианобактерии смогли бы выжить при экстремальных температурах и условиях на поверхности.

Периоды вращения и обращения

Теперь третий закон Кеплера гласит, что длина орбитального периода планеты ( п ) связана с его большой полуосью ( а ) и масса его родительской звезды ( М * ):

п 2 знак равно а 3 М *
Теперь мы предполагали выше, что а удваивается и М * примерно пополам. Таким образом, мы видим, что новый период революции составляет четыре года.

Теперь не должно быть значительного изменения периода дня планеты, потому что это повлекло бы за собой изменение ее углового момента вращения. У него нет источника, на который он мог бы передать свой угловой момент, и поскольку его масса и радиус останутся прежними, то же самое останется и с продолжительностью одного дня. Единственный способ, которым это могло бы измениться, — это если бы у него была луна, как у Земли. Со временем приливные силы передают угловой момент от планеты к Луне, замедляя ее вращение. Вы не указали, существует ли луна; для простоты я предполагаю, что это не так.

Возможные адаптации

Я не вижу здесь каких-то существенных изменений. Если продолжительность дня остается прежней, то разница только в том, что год увеличился вдвое, что не кажется таким абсурдным. Времена года, какими бы они ни были, также будут в два раза длиннее, хотя, возможно, без жизни на поверхности, изменение может быть трудно увидеть. Единственный эффект, который это окажет на жизнь здесь, будет заключаться в том, что доступный резервуар тепла для термосинтеза будет колебаться в течение более длительного периода. Это изменение, однако, должно быть незначительным и, конечно же, не будет угрожать жизни.

Тип поступающего излучения

Дэн Кларк упомянул что-то важное , и я собираюсь расширить его. Спектр черного тела неоднороден; он достигает максимума на некоторой характерной длине волны λ Максимум . Мы можем рассчитать эту длину волны по закону Вина :

λ Максимум знак равно б Т
куда б константа, 2,897 × 10 − 3 м ⋅ K. Используя это, мы находим, что Солнце имеет пиковую длину волны примерно 502 нм. Этот красный гигант с температурой вдвое меньше, чем у Солнца, имеет пиковую длину волны 1004 нм в ближней инфракрасной части электромагнитного спектра. Более того, излучение ультрафиолетового света было бы меньше, чем у звезды, подобной Солнцу.

Возможные адаптации

Как я писал здесь , разные фотосинтетические пигменты более эффективны при разных пиковых длинах волн. Для пикового излучения около 1000 нм эффективны определенные бактериохлорофиллы . Если бы фотосинтез был возможен, доминирующими формами жизни были бы фиолетовые и зеленые бактерии. Теперь не похоже, что фотосинтез мог произойти - температура поверхности слишком высока. Тем не менее, мне интересно, есть ли способ обойти это - возможно, каким-то образом атмосфера чрезвычайно плотная и резко уменьшает количество света, достигающего поверхности, до разумного уровня. Если это так, фиолетовые и зеленые бактерии могут быть основными обитателями.

Вы спрашивали о мутациях. Ультрафиолетовый свет является причиной мутаций , а учитывая, что температура звезды изменилась, изменилось и количество ультрафиолетового света — оно уменьшилось. То же самое касается любого рентгеновского и гамма-излучения (которое изначально было бы незначительным для звезды, подобной Солнцу). Следовательно, мы должны увидеть небольшое снижение частоты мутаций. Но опять же, на открытом воздухе все равно не будет много света. В любом случае наличие озонового слоя было бы менее важным.

Фаза AGB

Фаза асимптотической ветви гигантов (AGB) жизни звезды, происходящая сразу после того, как звезда покидает ветвь красных гигантов, представляет несколько иную опасность для жизни на орбитальной планете. Звезды AGB быстро теряют массу из-за сильных звездных ветров , иногда теряя до 10 − 4 М ⊙ в год! Это серьезная проблема. Центральные звезды планетарных туманностей, только что покинувшие асимптотическую ветвь гигантов , могут сдуть атмосферы вращающихся планет , и я подозреваю, что условия в фазе AGB не будут более благоприятными. Другими словами, я бы предположил, что земная атмосфера может быть лишена атмосферы.

Вдобавок к проблеме потери массы существует еще проблема значительного увеличения светимости (возможно, ∼ 10 4 л ⊙ ) в самом конце асимптотической гигантской ветви. Даже если планета сохранит свою атмосферу и даже если планета удалится достаточно далеко, чтобы оставаться в обитаемой зоне, пока ее родительская звезда находится на ветви красных гигантов, она, вероятно, будет выжжена во время фазы AGB.

Возможные адаптации

Никто. Если только этот термосинтез уже не работает.

Я считаю, что если бы у организма не было какой-либо растительной клетки, он стал бы хладнокровным, но им пришлось бы адаптироваться под землей, чтобы избежать чрезмерного истощения.

Привет, Тваймс. Можете ли вы объяснить свой ответ немного подробнее? Спасибо.

Все это зависит от плотности атмосферы указанной планеты. Там хороший озоновый слой? Если так, то радиация не должна быть проблемой. Планета, вероятно, будет в основном населена инвазивными видами растений, поскольку им будет трудно выжить в течение длительного периода времени в темноте. Животные также могут быть инвазивными, а могут быть мигрирующими (и двигаться к свету, если растения еще здоровы (а другие животные еще живы)) как хищники. Может быть, есть какие-то животные, которые следуют за мигрирующими травоядными, или, может быть, есть какие-то растения, которые будут использовать животных в качестве «батарей» в течение долгой ночи. Насчет мутаций сказать не могу.

Я бы сказал, что из-за солнечной радиации от движущегося красного гиганта, вероятно, не будет озона, защищающего от вредного излучения, поэтому большая часть жизни будет ограничена водой, где излучение поглощается. это делает жизнь даже на поверхности воды маловероятной, поскольку излучение не полностью поглощается водой. но в конце концов существа в глубокой воде могли выработать устойчивость к радиации (если генетическая стабилизация была возможна). и в конечном итоге могли заселить сушу. хотя огромное количество существ все еще будет жить в воде.

Я бы сказал, что земля была бы относительно бесплодной, поэтому большинство существ были бы плотоядными и хищными. жертва должна будет адаптироваться, чтобы иметь возможность бегать и / или прятаться от хищников, а это означает, что и хищник, и жертва должны быть быстрыми и иметь возможность бегать в течение длительного времени. существа, способные выжить, скорее всего, выживут на водорослях, мхах и других растениях-пиявках, которые могут жить на очень небольшом количестве почвы.

Еще одним соображением являются потоки энергии от звезды, которые делают ее достаточно горячей, чтобы в один день вскипятить пруды, и достаточно холодной, чтобы на следующий день заморозить скалы. поэтому все должно было бы адаптироваться к этим постоянным температурным потокам, развивая толстую кожу и способ хранения воды, чтобы использовать ее в жаркие дни и отводить в холодные, слегка расширяя и сморщивая существ соответственно. существам также придется адаптироваться к изменениям уровня освещенности; либо иметь большие глаза для поглощения доступного света, либо полностью использовать другое чувство. наконец, растения, живущие на планете, скорее всего, мутируют от радиации, уступая место чему угодно, от колючих водорослей до жестких кустов. это действительно все, что я знаю на данный момент.

Ваш первый абзац неверен. Звезда будет холоднее, поэтому ультрафиолетовое излучение значительно уменьшится. Ультрафиолетовое излучение играет важную роль в круговороте озона, и с меньшим количеством ультрафиолетового света не было бы никакой угрозы для озонового слоя. Вы определенно правы в том, что температура становится очень высокой, но я не думаю, что изменения температуры будут более резкими, чем на Земле; нет механизма для быстрого охлаждения воздуха ночью. Температура не сильно изменится с дневной на ночную сторону.
Физиологическая адаптация жизни на планете, вращающейся вокруг красного гиганта.
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v