Natura 4/2004 30. bˇrezna 2004
V´ yjimeˇ cn´ a Zemˇ e zpracoval: Jiˇr´ı Svrˇsek
1
podle ˇcl´ anku Johna G. Cramera
Abstract ˇ Rada autor˚ u science-fiction, jako David Brin, Larry Niven a Paul Anderson, se domn´ıv´ a, ˇze naˇse Galaxie je obydlena mnoha inteligentn´ımi mimozemsk´ ymi druhy, kter´e mohou vz´ ajemnˇe spolupracovat, soutˇeˇzit nebo moˇzn´ a mezi sebou bojovat. Na druh´e stranˇe Isaac Asimov ve sv´e s´erii ”Nadace” pˇredpokl´ ad´ a, ˇze lidstvo se bude rozˇsiˇrovat do neobydlen´e Galaxie, aniˇz by se setkalo s inteligentn´ım ˇzivotem. Geolog Peter Ward a astronom Don Brownlee z Washingtonsk´e univerzity napsali v roce 2000 knihu ”Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe”, v n´ıˇz tvrd´ı, ˇze naˇse Galaxie obsahuje planety nehostinn´e pro ˇzivot, protoˇze ob´ıhaj´ı kolem hvˇezd, kter´e jsou pˇr´ıliˇs hork´e, pˇr´ıliˇs chladn´e, pˇr´ıliˇs nestabiln´ı nebo existuj´ıc´ı po pˇr´ıliˇs kr´ atkou dobu k tomu, aby na nich mohl vzniknout sloˇzit´ y ˇzivot. Autoˇri tvrd´ı, ˇze zat´ımco bakteri´ aln´ı ˇzivot m˚ uˇze b´ yt ve vesm´ıru pomˇernˇe bˇeˇzn´ y, sloˇzit´e mnohobunˇeˇcn´e a ˇzivoˇciˇsn´e formy ˇzivota mus´ı b´ yt vz´ acn´e a inteligentn´ı ˇzivot velmi v´ yjimeˇcn´ y. Tento text byl zpracov´ an v textov´em procesu LATEX. Slouˇz´ı mimo jin´e jako uk´ azka zp˚ usobu zpracov´ an´ı matematick´ ych a fyzik´ aln´ıch text˚ u, kter´e ˇcasopis Natura Plus nab´ıdne sv´ ym ˇcten´ aˇr˚ um ve form´ atu PDF (podrobnˇeji viz knihovna: Matematika, Fyzika).
1 e-mail:
[email protected], WWW: http://natura.baf.cz
References [1] John G. Cramer: The ”Rare Earth” Hypothesis. Analog Science Fiction & Fact Magazine. Alternate View Column AV-102. September 2000 http://www.npl.washington.edu/AV/altvw102.html [2] Peter D. Ward and Donald Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe. Copernicus, New York, 2000, ISBN: 0-387-98701-0 [3] Robin Hanson: The Great Filter - Are We Almost Past It? Caltech, Sept. 1996. http://hanson.berkeley.edu/greatfilter.html [4] Hlad, O. - Pavlousek, J.: Pˇ rehled astronomie. SNTL, Praha 1990 [5] Grygar, Jiˇ r´ı: Vesm´ırn´ a zastaven´ı. Panorama, Praha 1990. ISBN: 80-7038-202-3 [6] From:
[email protected] (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 316 April 10, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein [7] D˚ ukaz existence ˇ zivota na Marsu? Physics News Update. Natura 10/1996. /natura/1996/10/9610-5.html [8] Evoluce bunˇ eˇ cn´ ych organel. Natura 6/2000. /natura/2000/6/20000608.html [9] Evoluce ˇ zivota, 1. Natura 10/1997. /natura/1997/10/9710-6.html [10] Jak planeta Venuˇ se ztratila sv´ e oce´ any. Natura 7/2002. /natura/2002/7/20020703.html
1
1
V´ yjimeˇ cn´ a Zemˇ e
ˇ Rada autor˚ u science-fiction, jako David Brin, Larry Niven a Paul Anderson, se domn´ıv´a, ˇze naˇse Galaxie je obydlena mnoha inteligentn´ımi mimozemsk´ ymi druhy, kter´e mohou vz´ajemnˇe spolupracovat, soutˇeˇzit nebo moˇzn´a mezi sebou bojovat. Na druh´e stranˇe Isaac Asimov ve sv´e s´erii ”Nadace” pˇredpokl´ad´a, ˇze lidstvo se bude rozˇsiˇrovat do neobydlen´e Galaxie, aniˇz by se setkalo s inteligentn´ım ˇzivotem. Geolog Peter Ward a astronom Don Brownlee z Washingtonsk´e univerzity napsali v roce 2000 knihu ”Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe” [2], v n´ıˇz tvrd´ı, ˇze naˇse Galaxie obsahuje planety nehostinn´e pro ˇzivot, protoˇze ob´ıhaj´ı kolem hvˇezd, kter´e jsou pˇr´ıliˇs hork´e, pˇr´ıliˇs chladn´e, pˇr´ıliˇs nestabiln´ı nebo existuj´ıc´ı po pˇr´ıliˇs kr´atkou dobu k tomu, aby na nich mohl vzniknout sloˇzit´ y ˇzivot. Autoˇri tvrd´ı, ˇze zat´ımco bakteri´aln´ı ˇzivot m˚ uˇze b´ yt ve vesm´ıru pomˇernˇe bˇeˇzn´ y, sloˇzit´e mnohobunˇeˇcn´e a ˇzivoˇciˇsn´e formy ˇzivota mus´ı b´ yt vz´acn´e a inteligentn´ı ˇzivot velmi v´ yjimeˇcn´ y. V roce 1961 Frank Drake, radioastronom z N´arodn´ı observatoˇre v Green Bank (the National Radio Observatory) v z´apadn´ı Virginii, a Carl Sagan sestavili rovnici (dnes oznaˇcovanou jako Drakeova rovnice) pro odhad poˇctu vyspˇel´ ych civilizac´ı v naˇs´ı Galaxii. (viz pˇr´ıloha) V roce 1974 Carl Sagan odhadl, ˇze v naˇs´ı Galaxii mus´ı existovat asi mili´on vyspˇel´ ych civilizac´ı. Dalˇs´ı geologick´e, astronomick´e astrofyzik´aln´ı a molekul´arnˇe biologick´e v´ yzkumy uk´azaly, ˇze tento odhad byl pˇr´ıliˇs optimistick´ y. Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] dokazuj´ı, ˇze podm´ınky nutn´e pro vznik a v´ yvoj sloˇzit´eho ˇzivota jsou velmi vz´acn´e. Pˇredkl´adaj´ı dlouh´ y seznam zvl´aˇstn´ıch situac´ı a podm´ınek, kter´e na Zemi vedly k evoluci vyˇsˇs´ıch forem ˇzivota. V z´avˇeru sv´e knihy autoˇri uvedli upravenou Drakeovu rovnici, kterou naz´ yvaj´ı ”Rovnic´ı v´ yjimeˇ cn´ e Zemˇ e”. Tato rovnice ud´av´a poˇcet Zemi podobn´ ych planet, na nichˇz mohly vzniknout sloˇzit´e formy ˇzivota. (viz pˇr´ıloha) John G. Cramer se ve sv´em ˇcl´anku struˇcnˇe analyzuje jednotliv´e parametry rovnice v´ yjimeˇcn´e Zemˇe. • N∗ = poˇcet hvˇezd v naˇs´ı Galaxii Odhad poˇctu hvˇezd v naˇs´ı Galaxii je problematick´ y, protoˇze nezn´ame hmotnost Galaxie a m´ame velmi m´alo informac´ı o populaci velmi mal´ ych hvˇezd, jako jsou b´ıl´ı trpasl´ıci a rud´ı trpasl´ıci. Odhaduje se, ˇze v naˇs´ı Galaxii je zhruba 500 miliard hvˇezd vˇsech tˇr´ıd. • fp = pod´ıl hvˇezd s planetami V roce 1995 astronomov´e objevili prvn´ı extrasol´arn´ı planetu. Od t´e doby byla objevena jiˇz ˇrada extrasol´arn´ıch planet. Dosud vˇsak nelze uˇcinit ani hrub´ y odhad pod´ılu hvˇezd s planetami. • fpm = pod´ıl planet bohat´ ych na tˇeˇzˇs´ı prvky a kovy Dosud vˇsechny objeven´e extrasol´arn´ı planety ob´ıhaj´ı kolem hvˇezd bohat´ ych na tˇeˇzˇs´ı chemick´e prvky a kovy. Tento v´ ysledek by mohl naznaˇcovat, ˇze planety bohat´e na kovy netvoˇr´ı v´ yjimeˇcn´ y typ planet. Na druh´e stranˇe vˇsechny dosud pozorovan´e planety jsou znaˇcnˇe hmotn´e a proto pˇr´ıliˇs nevypov´ıdaj´ı o vlastnostech menˇs´ıch planet´ach vhodn´ ych pro ˇzivot. • ne = pr˚ umˇern´ y poˇcet planet v obyvateln´e z´onˇe hvˇezdy Dr´aha planety Zemˇe je takov´a, ˇze jako jedin´a m´a dnes na sv´em povrchu kapalnou vodu. Tuto kapalnou vodu planeta musela m´ıt tak´e pˇred 4, 5 miliardami let, kdy vznikal ˇzivot a Slunce pˇritom bylo chladnˇejˇs´ı. Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] odhadli, ˇze pokud by polomˇer dr´ahy Zemˇe kolem
2
Slunce byl o 5 procent menˇs´ı nebo o 15 procent vˇetˇs´ı, pak by Zemˇe leˇzela mimo obyvatelnou z´onu vhodnou pro vznik a v´ yvoj ˇzivota. Pro hmotn´e hvˇezdy (obry) je tato z´ona jeˇstˇe menˇs´ı, protoˇze tyto hvˇezdy se vyv´ıjej´ı rychleji. pr˚ umˇern´ y poˇcet planet s obyvatelnou z´onou mus´ı b´ yt tedy mal´ y. Na druh´e stranˇe vˇsak autoˇri neuvaˇzuj´ı jin´e dostateˇcnˇe v´ ykonn´e a trval´e zdroje tepla a svˇetla, neˇz je z´aˇren´ı hvˇezdy, kolem n´ıˇz planety ob´ıhaj´ı. Podle tiskov´e zpr´avy Jet Propulsion Laboratory se na Jupiterovˇe mˇes´ıci Europa vyskytuj´ı ledov´e kry, kter´e pluj´ı na tekut´em oce´anu. Dokazuj´ı to sn´ımky sondy Galileo z u ´nora 1997. Podle vˇedc˚ u tekut´ y oce´an vznikl ˇc´asteˇcnˇe vlivem slapov´ ych sil planety Jupiter a ˇc´asteˇcnˇe teplem z radioaktivn´ıho rozpadu prvk˚ u uvnitˇr mˇes´ıce. Relativnˇe n´ızk´ y poˇcet kr´ater˚ u po dopadu meteorit˚ u vede k z´avˇeru, ˇze ledov´ y povrch je star´ y jen nˇekolik mili´on˚ u let a v urˇcit´ ych m´ıstech je siln´ y aˇz nˇekolik kilometr˚ u. • ng = poˇcet hvˇezd v obyvateln´e z´onˇe Galaxie Sluneˇcn´ı soustava ob´ıh´a kolem galaktick´eho stˇredu ve vzd´alenosti asi 25000 svˇeteln´ ych let, zhruba ve tˇretinov´e vzd´alenosti ze stˇredu k vnˇejˇs´ımu okraji galaktick´eho disku. Hvˇezdy, kter´e ob´ıhaj´ı v menˇs´ı vzd´alenosti od galaktick´eho stˇredu, jsou obklopeny vˇetˇs´ım poˇctem bl´ızk´ ych hvˇezd, kter´e gravitaˇcnˇe naruˇsuj´ı jejich planet´arn´ı soustavy, a jsou vystaveny z´aˇren´ı okoln´ıch supernov a galaktick´eho stˇredu. Hvˇezdy, kter´e ob´ıhaj´ı pˇr´ıliˇs daleko od galaktick´eho stˇredu naopak nemaj´ı dostatek tˇeˇzˇs´ıch prvk˚ u, kter´e se do mezihvˇezdn´eho prostoru uvolˇ nuj´ı erupcemi supernov v bl´ızkosti galaktick´eho stˇredu. • fi = pod´ıl obyvateln´ ych planet, kde m˚ uˇze vzniknout ˇzivot Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] odhaduj´ı, ˇze pod´ıl obyvateln´ ych planet, na nichˇz by mohl vzniknout ˇzivot pˇrinejmenˇs´ım ve formˇe primitivn´ıch bakt´eri´ı, je velk´ y. Geologick´e n´alezy dokazuj´ı, ˇze bakt´erie na Zemi vznikly jiˇz v dobˇe, kdy to planet´arn´ı podm´ınky zaˇcaly umoˇzn ˇovat. Bakt´erie ˇzij´ı v hlubok´ ych studn´ıch a dolech. V roce 1996 t´ ym vˇedc˚ u NASA ozn´amil (David S. McKay et al., Science, 16 August 1996.), ˇze v geologick´em vzorku horniny ALH84001, kter´ y byl nalezen v roce 1984 v Antarktidˇe, byly zˇrejmˇe ˇ ı zahraniˇcn´ı vˇedci vˇsak byli k t´eto interpretaci objeveny d˚ ukazy existence ˇzivota na Marsu. Cetn´ skeptiˇct´ı a argumentovali t´ım, ˇze vˇsechny n´alezy mohou m´ıt nebiologick´e pˇr´ıˇciny. [7] • fc = pod´ıl planet, kde m˚ uˇze vzniknou sloˇzit´ y ˇzivoˇciˇsn´ y ˇzivot Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] tvrd´ı, ˇze pod´ıl planet s bakteri´aln´ım ˇzivotem, z nˇehoˇz se mohly vyvinout mnohobunˇeˇcn´e ˇzivoˇciˇsn´e organismy, je velmi mal´ y. Op´ıraj´ı se o skuteˇcnost, ˇze mnohobunˇeˇcn´ y ˇzivot se vyvinul aˇz pˇred 2,5 miliardami let, tedy v posledn´ı pˇetinˇe obdob´ı existence ˇzivota na Zemi. Autoˇri d´ale tvrd´ı, ˇze kambrick´e explozi, kdy doˇslo k rozs´ahl´emu rozvoji mnohobunˇeˇcn´eho ˇzivota, pˇredch´ azely klimatick´e a geologick´e jevy, kter´e v´ yvoj takov´eho ˇzivota umoˇzn ˇovaly. • fl = pod´ıl planet s dostateˇcnou dobou existence pro v´ yvoj sloˇzit´eho ˇzivoˇciˇsn´eho ˇzivota Jakmile vznikne sloˇzit´ y ˇzivoˇciˇsn´ y ˇzivot, vyˇzaduje dostateˇcnou dobu ke sv´e evoluci. Objev sloˇzit´eho ˇzivota ve vesm´ıru tedy z´avis´ı na pod´ılu planet s dostateˇcnou dobou existence. Sloˇzit´ y mnohobunˇeˇcn´ y ˇzivot na Zemi zˇrejmˇe vznikal a zanikal opakovanˇe, neˇz k jeho evoluci byly pˇr´ızniv´e podm´ınky po dostateˇcnˇe dlouhou dobu. Podle postupn´e endosymbiotick´e teorie, j´ıˇz vypracovala Lynn Margulis, vˇsechny buˇ nky s j´adry vznikly splynut´ım ˇctyˇr typ˚ u bakt´eri´ı. Z´akladn´ı hostitelskou buˇ nkou mohly b´ yt archeobakterie, jako je Metanococus jannaschii. Tyto bakterie jsou odoln´e v˚ uˇci vysok´e teplotˇe a kysel´emu prostˇred´ı. Do tˇechto hostitelsk´ ych bunˇek pronikly jin´e bakterie, kter´e se bˇehem v´ yvoje zmˇenily na mitochondrie. Dalˇs´ı bakterie, kter´e pronikly do hostitelsk´ ych bunˇek, vedly ke vzniku plastid˚ u a chloroplast˚ u. Pro tuto teorii svˇedˇc´ı skuteˇcnost, ˇze mitochondrie a chloroplasty se svoj´ı stavbou podobaj´ı bakteri´ım a maj´ı vlastn´ı geny. Posledn´ı typ bakteri´ı na povrchu nˇekter´ ych bunˇek vytvoˇril ˇrasinky, jejichˇz
3
struktura a upnut´ı k hostitelsk´e buˇ nce je pomˇernˇe sloˇzit´e. [8] • fm = pod´ıl planet s velk´ ym mˇes´ıcem S v´ yjimkou Mˇes´ıce ostatn´ı satelity ve Sluneˇcn´ı soustavˇe maj´ı nepatrn´ y zlomek hmotnosti planety, kolem n´ıˇz ob´ıhaj´ı. Merkur a Venuˇse nemaj´ı ˇz´adn´e satelity a Mars m´a dva nepatrn´e satelity o hmotnosti jen 27 a 57 miliardtin hmotnosti Marsu. Mˇes´ıc m´a hmotnost 0, 012 hmotnosti Zemˇe. Vznik´a proto ot´azka, jak Zemˇe tak velk´ y satelit z´ıskala. Na z´akladˇe rozs´ahl´ ych poˇc´ıtaˇcov´ ych simulac´ı se astronomov´e domn´ıvaj´ı, ˇze Mˇes´ıc vznikl sr´aˇzkou velmi hmotn´e planetesim´aly s formuj´ıc´ı se Zem´ı rychlost´ı asi 4 km/s. V okamˇziku sr´aˇzky mˇela Zemˇe asi 70 procent dneˇsn´ı hmotnosti a planetesim´ala asi 30 procent hmotnosti dneˇsn´ı Zemˇe. N´araz obou tˇeles byl tangenci´aln´ı. Uvolnilo se pˇri nˇem asi 1032 Joul˚ u energie (odhaduje se, ˇze exploze vˇsech jadern´ ych hlavic by uvolnila energii asi 1019 J). Hmota planetesim´aly se zaboˇrila do nitra Zemˇe, cel´ y pl´aˇsˇt Zemˇe se roztavil, jeho vnˇejˇs´ı vrstvy se sm´ısily s hmotou planetesim´aly a rychle se odpaˇrily. Kolem Zemˇe vznikl plynn´ y rozp´ınaj´ıc´ı se obal, kter´ y chladnul a kondenzoval na prachov´a zrna. Kdyˇz se obal vzd´alil asi 15 tis´ıc kilometr˚ u od Zemˇe, jeho drobn´a zrna se zaˇcala vz´ajemnˇe spojovat a postupnˇe vznikala st´ale vˇetˇs´ı a vˇetˇs´ı tˇelesa, aˇz vznikl Mˇes´ıc. Cel´ y proces netrval d´ele neˇz nˇekolik t´ ydn˚ u. D˚ uleˇzit´ ym d˚ usledkem existence velk´eho Mˇes´ıce je stabilizace sklonu rotaˇcn´ı osy Zemˇe pod u ´hlem 23 stupˇ n˚ u v˚ uˇci rovinˇe jej´ı dr´ahy. Geologick´e d˚ ukazy ukazuj´ı, ˇze bˇehem stovek mili´on˚ u let se sklon rotaˇcn´ı osy mˇenil jen o nˇekolik stupˇ n˚ u od souˇcasn´e hodnoty. Ned´avn´e v´ ypoˇcty prok´azaly, ˇze pokud by Zemˇe nemˇela velk´ y Mˇes´ıc, gravitaˇcn´ı p˚ usoben´ı Jupiteru a Slunce by vedl k velk´ ym v´ ykyv˚ um sklonu rotaˇcn´ı osy Zemˇe v˚ uˇci rovinˇe dr´ahy, jejichˇz d˚ usledkem by byly drastick´e zmˇeny klimatu ohroˇzuj´ıc´ı existenci sloˇzit´eho ˇzivota. • fj = pod´ıl planet´arn´ıch soustav s planetami velikosti Jupiteru Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] tvrd´ı, ˇze pokud by ve Sluneˇcn´ı soustavˇe neexistovala velk´a planeta jako je Jupiter (s hmotnost´ı 300 kr´at vyˇsˇs´ı neˇz je hmotnost Zemˇe), tak by ˇcetnost sr´aˇzek asteroid˚ u a komet se Zem´ı vzrostla asi 10000 kr´at. Dopad velk´ ych asteroid˚ u a komet vedl k masov´emu vym´ır´an´ı organism˚ u pr˚ umˇernˇe jednou za 100 mili´on˚ u let. Pokud by neexistoval Jupiter, doch´azelo by k dopadu velk´eho asteroidu pr˚ umˇernˇe jednou za 10 tis´ıc let, coˇz by zcela vyluˇcovalo existenci sloˇzit´eho ˇzivota na Zemi. • fme = pod´ıl planet s kriticky n´ızk´ ym poˇctem jev˚ u zp˚ usobuj´ıc´ıch hromadn´e vym´ır´an´ı Protoˇze evoluce bakteri´ı na Zemi trvala asi 2,5 miliardy let, v t´eto dobˇe nedoˇslo k ˇz´adn´emu fyzik´aln´ımu jevu, kter´ y by zp˚ usobil zniˇcen´ı ˇzivota. Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] tvrd´ı, ˇze tento kriticky n´ızk´ y poˇcet jev˚ u zp˚ usobuj´ıc´ıch hromadn´e vym´ır´an´ı je znaˇcnˇe neobvykl´ y. Fosiln´ı z´aznamy ukazuj´ı, ˇze bˇehem existence ˇzivota na Zemi doˇslo k nˇekolika niˇciv´ ym jev˚ um, kter´e zp˚ usobily hromadn´e vym´ır´an´ı. Posledn´ı hromadn´e vym´ır´an´ı nastalo dopadem velk´eho meteoritu pˇred 65 mili´ony lety. Tehdy vyhynuly dinosauˇri a podstatn´a ˇc´ast ˇzivota v oce´anech. Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] proto tvrd´ı, ˇze v´ yvoj sloˇzit´eho ˇzivota vyˇzaduje velmi stabiln´ı planet´arn´ı syst´em. Jak´ ykoliv astrofyzik´aln´ı jev, jako pr˚ uchod bl´ızk´e hvˇezdy, by snadno tuto stabilitu naruˇsil. Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] tvrd´ı, ˇze kromˇe z´akladn´ıch faktor˚ u v jejich rovnici v´ yvoj sloˇzit´eho ˇzivota na Zemi ovlivnily jeˇstˇe nˇekter´e dalˇs´ı faktory. Fosiln´ı z´aznamy dokazuj´ı, ˇze na chladnouc´ı Zemi se objevil bakteri´aln´ı ˇzivot jakmile to fyzik´aln´ı podm´ınky umoˇznily. Proto tvrd´ı, ˇze prvotn´ı bakterie zˇrejmˇe vznikly na Marsu, kter´ y vychladl dˇr´ıve neˇz Zemˇe. Tyto bakterie se na Zemi mohly dostat v meteoritech, kter´e byly vymrˇstˇeny z Marsu po dopadech asteroid˚ u na jeho povrch. Odhaduje se, ˇze 10 procent meteorit˚ u vymrˇstˇen´ ych z Marsu
4
mohlo dopadnout na Zemi. Pokud by Mars neexistoval, v´ yvoj bakteri´aln´ıho ˇzivota na Zemi by byl zˇrejmˇe pomalejˇs´ı. Ned´avn´e geologick´e n´alezy dokazuj´ı, ˇze dvakr´at bˇehem sv´e existence byla Zemˇe znaˇcnˇe chladnou planetou, pokrytou ledem t´emˇeˇr aˇz k rovn´ıku. Poprv´e k tomuto glob´aln´ımu ochlazen´ı doˇslo pˇred 2, 5 miliardami lety a podruh´e pˇred 550 mili´ony lety. V´ yskyt tˇechto jev˚ u byl zˇrejmˇe pro v´ yvoj ˇzivota na Zemi v´ yznamn´ y. Aˇckoliv prvn´ı bakterie se na Zemi objevily pˇred 3, 8 miliardami let, k podstatn´ ym zmˇen´ am jednobunˇeˇcn´eho ˇzivota doˇslo aˇz pˇred 2, 5 miliardami let. V t´e dobˇe doˇslo ke vzniku kmen˚ u Archaea a Eucarya a z kmene Eucarya pozdˇeji vznikl veˇsker´ y ˇzivoˇciˇsn´ y ˇzivot. Ke kambrick´e explozi, kdy doˇslo k rozvoji mnohobunˇeˇcn´eho ˇzivoˇciˇsn´eho ˇzivota, doˇslo pˇred 550 mili´ony lety. Zd´a se, ˇze tyto kl´ıˇcov´e ud´alosti ve v´ yvoji ˇzivota na Zemi nˇejak souvisely se siln´ ym ochlazen´ım Zemˇe. Tato souvislost vˇsak nen´ı jednoznaˇcn´a. O pˇr´ıˇcin´ach kambrick´e exploze vˇsak existuje ˇrada hypot´ez. Geologicky n´ahl´e objeven´ı z´astupc˚ u takˇrka vˇsech dnes ˇzij´ıc´ıch a za obvykl´ ych okolnost´ı fosilizace schopn´ ych kmen˚ u v kambriu je nutno vykl´adat jako v´ ysledek pomˇernˇe rychl´e adaptivn´ı radiace, v´ yvojov´eho rozr˚ uznˇen´ı, kter´e m´a v menˇs´ı m´ıˇre obdobu napˇr. ve v´ yvojov´e radiaci savc˚ u poˇc´atkem tˇretihor ˇci radiaci jevnosnubn´ ych rostlin poˇc´atkem svrchn´ı kˇr´ıdy. Rychlost kambrick´e v´ yvojov´e radiace nebyla nijak v´ yjimeˇcn´a. Odhaduje se, ˇze trvala nejm´enˇe 15 mili´on˚ u let, tedy zhruba takovou dobu, po kterou prob´ıhala v´ yvojov´a radiace savc˚ u. Stanley (1973) se kambrickou explozi pokusil vysvˇetlit pomoc´ı poznatk˚ u recentn´ı (tj. souˇcasn´e) ekologie. Vych´az´ı z poznatk˚ u, ˇze pˇrid´an´ı dalˇs´ı trofick´e (potravn´ı) u ´rovnˇe do potravn´ı s´ıtˇe spoleˇcenstva zp˚ usobuje zv´ yˇsen´ı jeho rozmanitosti a naopak. Experimenty napˇr´ıklad uk´azaly, ˇze odstranˇen´ı hlavn´ıho masoˇzrav´eho druhu z mˇelkovodn´ıho spoleˇcenstva zp˚ usobilo podstatn´e sn´ıˇzen´ı jeho rozmanitosti, protoˇze jedin´ y rostlinoˇzrav´ y druh se tak rozmnoˇzil, ˇze potlaˇcil ostatn´ı. Je rovnˇeˇz zn´amo, ˇze rozr˚ uznˇen´ı na urˇcit´e trofick´e u ´rovni vyvol´av´a rozr˚ uznˇen´ı nejen na niˇzˇs´ı, ale t´eˇz na vyˇsˇs´ıch trofick´ ych u ´rovn´ıch. Stanley pouk´azal na to, ˇze po stovky mili´on˚ u let byly pozemsk´e organismy v´ yluˇcnˇe autotrofn´ı (z´ısk´avaly potravn´ı l´atky bez poˇz´ır´an´ı jin´ ych organism˚ u). Vyskytovaly se prokaryonty a jednobunˇeˇcn´e eukaryontn´ı ˇrasy. Pˇri nedostatku organism˚ u poˇz´ıraj´ıc´ıch rostliny dos´ahly tyto organismy znaˇcn´e biomasy, neboˇt jejich objem nebyl omezen prostorem, ˇzivinami a svˇetlem. Protoˇze existovalo m´alo pˇr´ıleˇzitost´ı k r˚ uzn´emu zp˚ usobu ˇzivota, organismy na Zemi se diverzifikovaly jen velmi pomalu. Nov´e druhy vznikaly patrnˇe vˇetˇsinou jako n´ahrada zanikl´ ych, coˇz pˇri celosvˇetovˇe mal´e rozmanitosti bylo vz´acn´ ym jevem. Kl´ıˇcovou ud´alost´ı, kter´a podle Stenleyho tento stav zmˇenila, byl vznik heterotrofn´ıch organism˚ u, nejprve jednobunˇeˇcn´ ych, kter´e se patrnˇe ˇzivily bakteriemi, sinicemi a ˇrasami. Pˇrechod tˇechto organism˚ u k masoˇzrav´emu zp˚ usobu ˇzivota vyˇzadoval pouze nepatrn´e zmˇeny. Soud´ıme tak proto, ˇze i v dneˇsn´ı dobˇe existuj´ı mnoh´e jednobunˇeˇcn´e druhy, napˇr. nˇekteˇr´ı biˇc´ıkovci, kteˇr´ı se mohou ˇzivit jako jednobunˇeˇcn´e autotrofn´ı i jako jednobunˇeˇcn´e heterotrofn´ı organismy. Vznik b´ yloˇzravc˚ u uvolnil ˇc´ast potravn´ıch zdroj˚ u a umoˇznil vznik nov´ ych druh˚ u. Ve svrchn´ım prekambriu tak doˇslo ke znaˇcn´emu zrychlen´ı evoluˇcn´ıho v´ yvoje, kter´ y brzy vedl k vytvoˇren´ı mnohobunˇeˇcn´ ych organism˚ u a k jejich dalekos´ahl´e radiaci. Vznik vˇetˇs´ıch mnohobunˇeˇcn´ ych tˇel a koster vyˇzaduje pomˇernˇe bohat´e zdroje energie. Jak se tyto zdroje mohly vyv´ıjet, uk´azala Berknerova a Marshallova domnˇenka (1965) o rozhoduj´ıc´ı u ´loze vzestupu mnoˇzstv´ı kysl´ıku v atmosf´eˇre Zemˇe. Poˇc´ıt´a s dosaˇzen´ım takov´e koncentrace, kter´a umoˇznila tvorbu kolagenu, b´ılkoviny, kter´a tvoˇr´ı organick´ y z´aklad pro vyluˇcov´an´ı miner´aln´ıch sol´ı ve schr´ ank´ach a kostr´ach. Opr´avnˇenost t´eto domnˇenky podporuj´ı pozorov´an´ı v recentn´ıch moˇr´ıch. Ukazuj´ı, ˇze tam, kde obsah kysl´ıku rozpuˇstˇen´eho ve vodˇe je menˇs´ı neˇz 0, 1 ml/l, nen´ı moˇrsk´e dno os´ıdleno mnohobunˇeˇcn´ ymi ˇzivoˇcichy. Pˇri obsahu kysl´ıku mezi 0, 1 aˇz 0, 3 ml/l ˇzij´ı na moˇrsk´em dnˇe pouze drobn´ı a mˇekkotˇel´ı ˇzivoˇcichov´e, zat´ımco druhy s pevn´ ymi v´apnit´ ymi schr´ankami a kostrami se objevuj´ı aˇz tam, kde koncentrace kysl´ıku pˇresahuje 0, 3 ml/l. Pˇri t´eto n´ızk´e koncentraci jsou
5
to pˇredevˇs´ım nˇekteˇr´ı ostnokoˇzci (Rhoads a Morse, 1971, Thompson a spol., 1985). Podle tohoto pozorov´an´ı v ˇziv´e pˇr´ırodˇe lze usuzovat, ˇze poˇc´atkem paleozoika dosahoval obsah kysl´ıku v atmosf´eˇre zhruba 3 aˇz 4 procenta jeho dneˇsn´ı koncentrace. Hypot´ezu o rozhoduj´ıc´ım obsahu kysl´ıku je moˇzno zaˇradit do r´amce ˇsirˇs´ı hypot´ezy, kter´a poˇc´ıt´a s t´ım, ˇze zv´ yˇsen´ı jeho hladiny ve vzduchu bylo pravdˇepodobnˇe d˚ usledkem rozs´ahl´ ych zmˇen v chemismu oce´ansk´ ych vod (Cook a Shergold, 1984, Kazmierczak, Ittekot a Degens, 1985). Koncem prekambria doˇslo podle t´eto hypot´ezy ve svˇetov´em oce´anu k fosfogenn´ı ud´alosti, kter´a je dokumentov´ana nahromadˇen´ım fosforitov´ ych loˇzisek z t´eto doby. Dalˇs´ı pozorov´an´ı ukazuj´ı, ˇze bˇehem prekambria se chemismus oce´ansk´ ych vod vyv´ıjel od vod s pˇrevahou rozpuˇstˇen´eho uhliˇcitanu sodn´eho k vod´am s pˇrevahou chloridu sodn´eho. Zmˇena alkality (tj. z´asaditosti), kter´a byla s t´ımto procesem spojena, zp˚ usobila zv´ yˇsen´ı mnoˇzstv´ı v´apn´ıku ve vodˇe. Slouˇceniny fosforu jsou neobyˇcejnˇe d˚ uleˇzitou, pro rozvoj vodn´ıch organism˚ u ˇcasto omezuj´ıc´ı, ˇzivinou. Hypot´eza fosfogenn´ı ud´alosti poˇc´ıt´a s t´ım, ˇze n´asledkem zmˇeny konfigurace oce´an˚ u a kontinent˚ u doˇslo ve svrchn´ım prekambriu k oˇziven´ı oce´ansk´e cirkulace, kter´a vyn´aˇsela hlubinn´e fosforem bohat´e vody do rozs´ahl´ ych moˇr´ı pobl´ıˇz kontinent˚ u. T´ım se vytvoˇrily podm´ınky pro rozvoj bohat´eho ˇzivota v tˇechto oblastech, zv´ yˇsila se produkce autotrofn´ıch organism˚ u, a t´ım tak´e kysl´ıku. V´apn´ık je prvek, kter´ y je nezbytn´ y pro mnoh´e fyziologick´e pochody, ale ve vyˇsˇs´ıch koncentrac´ıch je pro organismy toxick´ y. Z t´eto skuteˇcnosti vych´az´ı domnˇenka, kter´a vysvˇetluje ukl´ad´an´ı v´apn´ıku ve schr´ ank´ach a kostr´ach jako reakce organismu smˇeˇruj´ıc´ı k detoxikaci okol´ı. Logicky lze vysvˇetlit skuteˇcnost, proˇc prvn´ı schr´anky organism˚ u jsou z fosforeˇcnanu v´apenat´eho a nikoliv z uhliˇcitanu v´apenat´eho. Fosfor je totiˇz ”krystalick´ ym jedem”, kter´ y zabraˇ nuje vytv´aˇren´ı krystal˚ u uhliˇcitanu v´apenat´eho. Teprve zmenˇsen´ı jeho obsahu ve vodˇe mohlo doj´ıt k vytv´aˇren´ı koster a schr´anek z uhliˇcitanu v´apenat´eho. V´ yznamn´ ym faktorem pro v´ yvoj ˇzivota na Zemi byla tak´e tektonika pevninsk´ ych desek. Zemˇe je ve sv´em nitru rozˇzhavena v d˚ usledku rozpadu radioaktivn´ıch isotop˚ u, zejm´ena drasl´ıku 40 K. Toto teplo vyvol´av´a tektoniku pevninsk´ ych desek, kter´e se pohybuj´ı po podloˇz´ı d´ıky vodˇe v oce´anech jako mazadla. Oce´ansk´e dno se podsouv´a pod pevninsk´e desky a oxid uhliˇcit´ y v´azan´ y ve schr´ank´ach organism˚ u se nazpˇet uvolˇ nuje do atmosf´ery vulkanickou ˇcinnost´ı. Pokud je teplota atmosf´ery pˇr´ıliˇs vysok´a, oxid uhliˇcit´ y se v´aˇze ve schr´ank´ach moˇrsk´ ych organism˚ u a v hornin´ach. T´ım doch´az´ı k potlaˇcen´ı sklen´ıkov´eho jevu a k ochlazen´ı atmosf´ery. Planeta bez deskov´e tektoniky by nemˇela relativnˇe stabiln´ı teplotu a t´ım by byl zt´ıˇzen v´ yvoj mnohobunˇeˇcn´eho ˇzivota. Autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] doch´azej´ı k z´avˇeru, ˇze Zemˇe je v´ yjimeˇcn´ ym m´ıstem, kde pˇr´ıznivˇe pˇrispˇela ˇrada n´ahodn´ ych faktor˚ u ke vzniku a v´ yvoji sloˇzit´eho ˇzivota. V naˇs´ı Galaxii je zˇrejmˇe jen nˇekolik planet s takov´ ymi pˇr´ızniv´ ymi podm´ınkami. Moˇzn´a naˇse Zemˇe je jedinou planetou v Galaxii s inteligentn´ım ˇzivotem. Je vˇsak moˇzn´e, ˇze autoˇri knihy ”Rare Earth” [2] v´ yznam nˇekter´ ych faktor˚ u pˇr´ıliˇs pˇrecenily nebo ˇze existuj´ı nˇekter´e dalˇs´ı, dosud nezn´am´e faktory, kter´e ˇcin´ı v´ yvoj sloˇzit´eho ˇzivota mnohem v´ıce pravdˇepodobnˇejˇs´ı.
6
2
Pˇ r´ılohy
2.1
Drakeova rovnice
V roce 1961 Dr. Frank Drake, radioastronom z N´arodn´ı radioastronomick´e observatoˇre v Green Banku (the National Radio Astronomy Observatory) v Z´apadn´ı Virginii odhadl poˇcet vyspˇel´ ych civilizac´ı v naˇs´ı Galaxii, jejichˇz sign´aly bychom mˇeli zachytit. Drakeova rovnice se stala z´akladem vˇedeck´eho v´ yzkumu moˇzn´e existence mimozemsk´ ych civilizac´ı. Tento vˇedeck´ y v´ yzkum se soustˇredil pˇredevˇs´ım na odhad jednotliv´ ych parametr˚ u Drakeovy rovnice a zd˚ uvodnˇen´ı tohoto odhadu. S rozvojem astronomie, astrofyziky, molekul´arn´ı biologie, genomiky a geologie jsou odhady poˇctu mimozemsk´ ych civilizac´ı st´ale pesimiˇctˇejˇs´ı. Drakeova rovnice m´a n´asleduj´ıc´ı tvar: N = R∗ · fp · ne · fl · fi · fc · L kde N = poˇ cet komunikuj´ıc´ıch civilizac´ı Poˇcet civilizac´ı v Galaxii, jejichˇz radiov´e vys´ıl´an´ı m˚ uˇzeme zachytit. R∗ = poˇ cet hvˇ ezd vhodn´ ych pro vznik ˇ zivota Poˇcet hvˇezd s vhodn´ ymi fyzik´aln´ımi podm´ınkami pro vznik inteligentn´ıho ˇzivota existuj´ıc´ı po dostateˇcnˇe dlouhou dobu fp = pod´ıl hvˇ ezd s planetami Pod´ıl hvˇezd podobn´ ych Slunci s existuj´ıc´ımi planetami ne = poˇ cet planet podobn´ ych Zemi v jednom planet´ arn´ım syst´ emu Vˇsechny hvˇezdy maj´ı r˚ uznˇe velkou oblast, v n´ıˇz mohou existovat planety s kapalnou vodou na povrchu a s dalˇs´ımi pro ˇzivot potˇrebn´ ymi fyzik´aln´ımi podm´ınkami. fl = pod´ıl planet podobn´ ych zemi, na nichˇ z vznikl ˇ zivot Pˇrestoˇze planeta m˚ uˇze m´ıt fyzik´aln´ı podm´ınky vhodn´e pro vznik ˇzivota, nemus´ı ke vzniku ˇzivota z nejr˚ uznˇejˇs´ıch d˚ uvod˚ u doj´ıt. Odhad tohoto parametru je dosud krajnˇe nejist´ y. fi = pod´ıl planet s ˇ zivotem, na nichˇ z vznikl inteligentn´ı ˇ zivot ˇ Zivot na zemi existoval asi 3,5 miliardy let a proto mˇel dostateˇcnou dobu na sv˚ uj v´ yvoj. fc = pod´ıl planet s inteligentn´ım ˇ zivotem, kde vznikla technologie Inteligentn´ı ˇzivot nemus´ı dos´ahnout technologick´e u ´rovnˇe, j´ıˇz m˚ uˇzeme detekovat v podobˇe radiov´ ych vln, jako tomu bylo v pˇr´ıpadˇe starovˇek´ ych civilizac´ı. L = pr˚ umˇ ern´ a doba existence technologick´ e civilizace Doba existence, po n´ıˇz technologick´a civilizace vys´ıl´a sv´e sign´aly do vesm´ıru. [3]
2.2
Rovnice v´ yjimeˇ cn´ e Zemˇ e
V roce 2000 Peter D. Ward a Donald Brownlee ve sv´e knize Rare Earth [2] publikovali svoji ”rovnici v´ yjimeˇcn´e Zemˇe” pro odhad poˇctu planet podobn´ ych Zemi se sloˇzit´ ymi formami ˇzivota. Tato rovnice m´a tvar N = N∗ · fp · fpm · ne · ng · fi · fc · fl · fm · fj · fme
7
kde N∗ = poˇcet hvˇezd v naˇs´ı Galaxii, fp = pod´ıl hvˇezd s planetami, fpm = pod´ıl planet bohat´ ych na tˇeˇzˇs´ı prvky a kovy, ne = pr˚ umˇern´ y poˇcet planet v obyvateln´e z´onˇe hvˇezdy, ng = poˇcet hvˇezd v obyvateln´e z´onˇe Galaxie, fi = pod´ıl obyvateln´ ych planet, kde m˚ uˇze vzniknout ˇzivot, fc = pod´ıl planet, kde m˚ uˇze vzniknou sloˇzit´ y ˇzivoˇciˇsn´ y ˇzivot, fl = pod´ıl planet s dostateˇcnou dobou existence pro v´ yvoj sloˇzit´eho ˇzivoˇciˇsn´eho ˇzivota, fm = pod´ıl planet s velk´ ym mˇes´ıcem, fj = pod´ıl planet´arn´ıch soustav s planetami velikosti Jupiteru, fme = pod´ıl planet s kriticky n´ızk´ ym poˇctem jev˚ u zp˚ usobuj´ıc´ıch hromadn´e vym´ır´an´ı.
8
