Могут ли технологические цивилизации существовать без атмосферного кислорода?

Около 2 миллионов лет назад вид прямоходящих обезьян, известный как Homo erectus, начал использовать огонь. Этот процесс был постепенным — от использования естественных пожаров до умения добывать пламя с помощью кремня и трута. Мы — их потомки. Мы — существа горна и печи, очага и дома. Огонь стал настолько центральным для нас, что вместо homo sapiens нас можно было бы назвать homo ignus — огнепоклонническая обезьяна. Огонь лежит в основе нашей цивилизации. Он готовит пищу, согревает и освещает ночь. Это поднимает интересный вопрос: смогли бы мы построить цивилизацию без огня?

Огонь возможен только в атмосфере с высоким содержанием кислорода. В атмосфере с содержанием кислорода менее ~18% открытое пламя невозможно. Для надежного воспламенения может требоваться уровень до 20%. Сейчас в атмосфере Земли ~21% кислорода, но стабильно выше 18% он держится лишь около 200 миллионов лет. Бо́льшую часть истории Земли открытый огонь был невозможен. И Земля — единственная планета в нашей Солнечной системе со значительным уровнем кислорода. Таким образом, хотя планеты во Вселенной распространены, планеты, где возможен огонь, могут быть редки. Если для возникновения цивилизаций нужен огонь, то атмосферный кислород может быть «узким местом».

Именно это «узкое место» стало фокусом недавнего исследования, опубликованного на препринт-сервере Arxiv. Оно рассматривает требования к планете для наличия богатой кислородом атмосферы и приходит к выводу, что ограничения довольно строгие. Существует два основных пути создания свободного кислорода в атмосфере:

1. Биологическое происхождение: живые организмы производят кислород в процессе фотосинтеза.
2. Абиотический процесс: водяной пар в верхних слоях атмосферы расщепляется ультрафиолетовым светом на водород и кислород.

Исследование показывает, что доминирующий механизм зависит от размера и температуры планеты.

• При земных температурах свободный кислород требует наличия живых организмов. Но если планета слишком мала, она не может удержать достаточную для жизни атмосферу, а если слишком велика, её атмосфера будет настолько доминироваться водородом и гелием, что живые существа не смогут произвести достаточно кислорода для преодоления порога в 18%. Таким образом, обитатели супер-Земли с земной температурой, вероятно, не смогут иметь открытого огня.
• Для более горячих планет доминирует абиотический механизм, но только если планета больше Земли. Маленькие горячие планеты не будут иметь достаточно плотного водяного пара для генерации большого количества кислорода. Венера — хороший пример: она слишком тепла для биогенного кислорода, но недостаточно велика для абиогенного.

Это означает, что если мы найдём супер-Земли с богатой кислородной атмосферой, то она, вероятно, возникла абиотическим путём. Живые существа всё ещё могли бы использовать этот кислород, в том числе для создания огня и цивилизации.

Проблема атмосферного кислорода сложна, и данная статья не вдаётся в детали. Её цель — обозначить ограничения на возможность создания огня на потенциально обитаемых мирах. Поиски жизни во Вселенной могут потребовать различать потенциально обитаемые миры и потенциально цивилизованные миры. Последние могут оказаться гораздо более редкими, чем мы когда-то надеялись.