V mnoha sci-fi povídkách i románech se setkáváme s exotickými živočichy, kteří v hojném počtu obývají atmosféry Jupitera a Saturna. Naopak vědci obří planety vesměs považují z exobiologického hlediska za zcela beznadějné. Na první pohled by se zdálo, že jediným důvodem pro skepticismus je nedostatek fantazie. Bohužel, jsou zde i limity povahy fyzikální, které lze ve sci-fi zanedbat, ovšem reálný organismus by se s nimi musel tvrdě potýkat. Je tedy život na obrech zcela vyloučen?

Světy s bezedným nebem

Obří plynné planety se prakticky v ničem nepodobají našemu vlastnímu světu. Jsou nesrovnatelně větší a mají odlišné složení, mnohem bližší Slunci než Zemi. Nemají nic, co by připomínalo pevný povrch. První kapalné vrstvy hluboko v nitru jsou vystaveny tak strašnému tlaku a teplotě, že jsou a asi i vždy budou člověku (i životu vůbec) nepřístupné.

Na druhou stranu víme, že v atmosféře Jupiteru existuje oblast, kde se teploty blíží pozemským, tlak je jen o něco málo vyšší a leží zde vrstvy vodních mraků v podobě ledových krystalků a zřejmě i kapének. Víme, že na Jupiteru existují rozmanité organické látky. Není proto vůbec nesmyslné ptát se, zda se v těchto podmínkách nemohl zrodit život.

Jako první tuto otázku vážně zformuloval Carl Sagan, následně se jí chopili i četní spisovatelé sci-fi v čele s Arthurem C. Clarkem, kteří Jupiterova mračna oživili četnými létajícími a vznášejícími se tvory. Exobiologický potenciál Jupiteru a Saturnu bohužel s dosud dostupnými daty můžeme jen stěží smysluplně hodnotit, proto se většina pozornosti obrací spíše k měsícům těchto obrů, které mnohem více připomínají terrestrické planety. Víme ovšem, že planety podobné Jupiteru se vyskytují hojně v celém vesmíru, vodíkohéliové ovzduší je patrně nejobvyklejším typem atmosféry vůbec. Už proto má smysl se i těmto exotickým plynným světům hlouběji věnovat.

V tomto článku si proto bod po bodu projdeme jednotlivé aspekty života na plynném obru.

Život v oblacích Vznášející se balonovité organismy mezi mračny Jupiteru podle představ malíře Adolfa Schallera, nspirovaného Saganovými teoriemi.

Prvkové složení

Chemické složení Jupiterova prostředí je pro život v zásadě příznivé. Na první pohled dokonce evokuje Millerův-Ureyho pokus simulující vznik života, avšak prováděný v nestvůrném měřítku. Prvky, které utvářejí pozemskou živou hmotu, se zde vyskytují v jinde nevídaném množství. Vodík, uhlík, dusík i síra, stejně jako životně důležitý fosfor patří k základním složkám atmosféry a oblak. Existence větších množství vody (v podobě kapének) zatím jednoznačně prokázána nebyla, ale nevylučuje se. Carl Sagan se tím nechal unést natolik, že ve své knize Planety označil Jupiter za „obyvatelnější“, než je sama Země!

Zdrojem uhlíku by mohl být metan nebo organické látky neživého původu (vzniklé působením záření na molekuly metanu). Základní dusíkatou molekulou je amoniak, síru zastupuje sirovodík (H2S) a hydrogensulfid amonný (NH4HS). Fosfor je přítomen coby plynný fosfan (PH3). Existuje podezření na výskyt halogenovodíků (HF, HCl, HBr, HI) v hlubších a teplejších vrstvách atmosféry, patrně jsou ale vychytávány amoniakem za vzniku amonných solí (např. salmiak, NH₄Cl), takže v mracích zvnějšku nebyly detekovány. Salmiak by mohl v malém množství pronikat až do zóny vodních mraků. Další přítomnou látkou je hydrid germania - german GeH₄.

Tyto chemikálie jsou navzájem promíchávány, ohřívány, sušeny či zmrazovány, podle pohybu vzdušných proudů, a jsou vystaveny působení blesků. Tím musí vznikat neobyčejná hojnost složitějších molekul, z nichž jsme zatím poznali jen malou část. O této rozmanitosti nepřímo svědčí i úžasná pestrost a proměnlivost zbarvení jupiterovy oblačnosti. Je pravděpodobné, že by z těchto surovin nějaká forma života vzniknout mohla.

Ovšem některé další prvky tu neoddiskutovatelně chybějí, zejména přechodné kovy (jako je železo, nikl, měď nebo zlato) a alkalické kovy (jako je draslík, sodík apod.), protože jejich sloučeniny jsou těžké, mají vysoké body varu a tudíž se soustředí v nitru planety. Tyto látky sice nejsou hlavními biogenními prvky, přesto si bez jejich přispění nedokážeme představit fungování celé řady enzymů, včetně těch, které katalyzují ty nejzásadnější metabolické pochody živých buněk (jako je například fotosyntéza nebo přenos elektronů v redoxních reakcích energetických metabolismů).

Zdrojem těchto těžkých prvků by teoreticky mohl být kosmický prach, který se v malých množstvích usnáší do atmosféry z kosmu. Získané množství by však bylo jen stěží dostatečné pro sebechudší biosféru, jedná se řádově o gramy na kilometr čtvereční za rok.

Je těžké říci, zda absence či kritický nedostatek zmíněných prvků vylučuje možnost života. Příroda je samozřejmě vynalézavá a i s omezeným materiálem dokáže často zázraky, spoléhat na to ale nemůžeme. Na Jupiteru by evoluce musela napnout všechny síly, aby z nepočetného arzenálu dostupných prvků vyrobila potřebné biokatalyzátory.Koneckonců - co my víme, jak by šlo biologicky zužitkovat takové germanium? Místní formy života by chtě nechtě musely být biochemicky nesmírně odlišné od pozemských. Základní biogenní prvky (uhlík, vodík, dusík a fosfor) by sice byly tytéž, ale nejspíš zastoupené v odlišném poměru a ve zcela nepovědomých sloučeninách, včetně takových, které jsou v kyslíkaté atmosféře nestálé či dokonce výbušné.

Dosud otevřenou otázkou je voda. Je sice pravděpodobné, že je přítomna, ale neví se, kolik jí je. Sestupové pouzdro sondy Galileo totiž skoro žádnou vodu nenašlo. Na druhou stranu sonda se atmosférou jen mihla a prozkoumala jediné, navíc zřejmě netypické místo – je tedy možné, že se zrovna trefila do „díry“ v jinak souvislé vrstvě vodních par a kapiček. Vyloučeno však není ani to, že voda je zde vzácná vždy a všude. Pak by ji musel pro potřeby organismů nahradit amoniak, jenž se ovšem považuje za méně vhodný.

I když odhlédneme od jiného prvkového složení a tím daných omezení, život na Jupiteru by měl zcela jiný typ metabolismu než my, neboť i jeho prostředí je chemicky odlišné od pozemského. U nás je ovzduší oxidované (kyslík), rostliny vytvářejí zásobní redukované látky (bohaté vodíkem, třeba tuky a cukry) a pro uvolnění energie je oxidují. Živočichové umějí pouze to druhé, a jsou tedy závislí na rostlinách. Jupiter však není Země. Tam je situace opačná, ovzduší je velice redukované (skoro čistý H₂!) a metabolismy by měly opačný průběh, zásobní látky by byly nejspíš oxidované a energie by vznikala jejich redukcí.

Energie

Druhou palčivou otázkou je přísun energie, kterou jakýkoli organismus nezbytně potřebuje. Možnosti fotosyntézy v teplých vrstvách Jupiteru omezuje nedostatek světla, způsobený velkou vzdáleností od Slunce a dále vyhrocený hustou oblačností. Nad vrcholky oblak zase panuje nízká teplota, která by nedovolovala růst konvenčních organismů. Potenciálním zdrojem energie, byť skromným, by mohlo být i infračervené záření zdola. Jiná situace by ovšem mohla nastat u plynných planet v jiných soustavách, které jsou blíže své hvězdě.

Lepší výsledky by mohla dávat chemotrofie obdobná například pozemské metanogenezi. Při ní se organická látka (v tomto případě nejspíš abioticky vzniklá) slučuje s vodíkem za vzniku metanu a vody. V případě energeticky bohatých sloučenin, jako je např. acetylén, může tento proces poskytovat poměrně dost energie. Určitou alternativou by mohly být čistě fermentativní procesy obdobné kvašení, které však dávají ještě menší energetický zisk. Celkový zisk energie pro biosféru by však zřejmě nebyl nijak závratný.

Můžeme si představit, že případný ekosystém Jupiteru by sestával ze tří základních skupin: fotoautotrofů, kteří by s využitím sluneční energie štěpili metan nebo oxid uhelnatý a vytvářeli z něj organickou hmotu, popř. také hromadili zásobní oxidanty, chemotrofů („tholinotrofů“), kteří by konzumovali přirozeně vzniklé organické látky a přeměňovali je na biomasu, a predátorů, kteří by se krmili na obou předchozích skupinách.

Vznik života

Umíme si sice představit, jak by život na Jupiteru mohl fungovat, to ovšem neznamená, že víme, jak by mohl vzniknout a rozvíjet se. Surovin je samozřejmě dost, vyskytují se však v podmínkách ostře se lišících od těch, které panovaly na rané Zemi – nenajdeme tu žádné vodní rezervoáry větší než oblačné kapénky, žádné termální prameny, žádné jílové nebo pyritové krystaly, přičemž všechny tyto faktory mohly (ale nemusely) sehrát při zrodu života nezastupitelnou roli.

Ostatně je otázka, zda i samy stavební kameny života mohou v turbulentní atmosféře reagovat po dostatečně dlouhou dobu, aniž by byly strženy klesavým prouděním a přetaveny v hlubině.

Carl Sagan, jeden ze zakladatelů moderní exobiologie, problém komentoval takto: "Je možné, že existuje celá řada různých cest vedoucích ke vzniku života, přičemž Země je vhodnější pro některé z nich a Jupiter zase pro jiné." Nic více k tomu nemůžeme dodat ani dnes, po více než třiceti letech.

Jak se udržet v ovzduší?

Pokud tu ale život existuje, musel se vypořádat se stálou hrozbou pádu do bezedné žhavé hlubiny. . Jednobuněčný život by zřejmě vsadil na nejprostší možnou strategii, tedy jednoduché pasivní vznášení se ve vzdušných proudech (strategie, kterou Sagan pojmenoval „potápěč“). Samozřejmě že takový organismus by  dříve či později klesl či byl stržen do žhavých hlubin Jupiteru, to by ale nevadilo, pokud by zanechal dostatečné množství potomstva. To ovšem samo o sobě nestačí – potomstvo by se muselo rozptýlit, kdyby zůstalo pohromadě v jediném vzdušném proudu, nebo dokonce v jediné kapénce, byly by do pekelné propasti zaneseny všechny buňky společně, i kdyby se množily sebevíc. Je otázkou, zda by byla dlouhodobá existence takového života závisejícího na vrtoších počasí prakticky možná, mnozí odborníci to však nevylučují. Životnost "potápěčů" by byla tím větší, čím by byli lehčí, a čím by měli větší povrch.

Nejpopulárnějším konceptem jupiteřana je představa balonového organismu (Saganův „plavec“). Ovšem je zde několik zásadních háčků. Nejjednodušším typem balonu je balon plynový. Bez nároků na dodávky energie se drží ve vzduchu, a tak se zdá být logickou volbou pro každého, kdo by chtěl žít v oblacích plynného světa. Na Zemi je to jednoduché. Naše ovzduší tvoří převážně dusík, a do balonů plníme lehčí plyny, jako je vodík nebo hélium. A v tom je právě háček – tyto dva nejlehčí plyny totiž tvoří většinu jupiterovy atmosféry!

Profil Jupiterovy atmosféry se znázorněním hlavních oblačných vrstev. Červená křivka udává průběh teploty (na stupnici dole v Kelvinech).

Jupiterovo ovzduší má průměrnou molární hmotnost 2,22 gramů, pro srovnání, naše atmosféra má asi 29 g a čistý vodík, nejlehčí plyn vůbec, 2 g. Tedy na Zemi jeden mol (22,4 litrů) čistého vodíku unese 27 g, zatímco na Jupiteru 0,22 g. To opravdu balony téměř vylučuje - i u nás je poměr objemu k nesené hmotnosti nepříznivý, co teprve tam! Na Saturnu je atmosféra tvořena ještě větším množstvím vodíku, což situaci dále zhoršuje. Naopak na Uranu a Neptunu je v teplých vrstvách poměrně vysoké zastoupení těžších plynů, např. metanu, proto by si tam vodíkové balony vedly poměrně dobře.

Pasivní let na Jupiteru by ve výsledku vyžadoval balony s ohromným objemem, ale extrémně tenkými stěnami. Představme si balon, jehož obal má plošnou hmotnost 0,03 g/cm², tedy odpovídající například listu běžné rostliny. Do vnitřní dutiny vylučuje zcela čistý vodík o molekulové hmotnosti 2.

Na Zemi, v atmosféře dusíku a kyslíku, normálním tlaku a pokojové teplotě, je minimální průměr tohoto balonu 1,62 m – při tom by ovšem unesl jen svůj vlastní obal, žádnou další zátěž. V obyvatelné hladině Jupiteru, v ovzduší lehkých plynů při tlaku 6 atmosfér by ovšem musel měřit více než 30 m při stejné tloušťce obalu, aby unesl alespoň sám sebe! Pokud by měl nést ještě nějaké orgány, musel by být ještě přiměřeně větší. Asi není třeba zvlášť zdůrazňovat, že takoví tenkostěnní obři by museli mít veliké problémy s bouřlivými projevy místního počasí. Navíc by byli nutně zcela nepohybliví a kvůli váhovému omezení by nemohli mít ani žádné specializované orgány, jako je třeba nervová soustava.

Horkovzdušný balon spoléhá na to, že teplý plyn je lehčí než chladný, a funguje tedy i ve vodíkové atmosféře. Otázkou ovšem je energie pro ohřev tak velkého objemu, která zjevně vysoce překračuje možnosti případného organismu. Určitou možností by byl solární balon, pasivně zahřívaný slunečními paprsky nebo infračerveným sáláním zdola – kdyby pohlcoval více energie než okolní vzduch, byl by teplejší a jeho vztlak by stoupal. I zde ale hovoříme o objemných a velmi tenkostěnných útvarech.

Aktivní letci (Saganovi "lovci"), něco jako „ptáci,“ jsou evolučně dost složití. Zůstává tady velká vývojová mezera mezi bakterií a ptákem, kterou nelze skokem překlenout, a nelétající mnohobuněčný život jakožto nutný(?) mezičlánek nemůže na obrech existovat. A cesta od balonů – už tak dosti nepravděpodobných – k ptákům je též dosti spletitá. Pták každopádně potřebuje enormní zdroje energie, a ty na Jupiteru podle mého názoru nejsou.

Pohled na oblohu z atmosféry Saturnu. (Image copyright by Joe Bergeron.)

Exoti v hlubinách

Jako okrajovou možnost bychom měli zmínit i možnost existence vysoce exotického života v hlubokém nitru plynných obrů. Benner a kol. (2004) připouští nadkritický kapalný vodík jako potenciální rozpouštědlo pro organické molekuly, pokud jejich existenci nevylučuje vysoká teplota, což může být právě případ Jupiteru. Menší obří planety jsou ale chladnější a zkapalněný plyn tam najdeme i při pokojové teplotě.

A co žhavější vrstvy kapalného a kovového vodíku? Teploty a tlaky zde panující samozřejmě vylučují cokoli jen trochu podobného tomu, co známe z vlastní zkušenosti. Nelze ovšem zcela vyloučit, že by se v těchto podmínkách mohly objevit složité systémy založené na chemické nebo fyzikální bázi. Problémem je, že podmínky v nitru planety panující příliš dobře neznáme a navíc s chováním hmoty v tak nelidských teplotách a tlacích máme mnohem méně zkušeností než s klasickou (bio)chemií. Otázka, zda by zde mohly vznikat vysoce organizované struktury, neřkuli zda by dosáhly úrovně, kterou bychom mohli označit jako život, je tedy více než zapeklitá a není možné na ni uspokojivě odpovědět. Bytosti z Jupiterova nitra budou ještě dlouho spíše zajímavým myšlenkovým experimentem nežli vědeckou hypotézou, kterou je možno testovat a dále rozvíjet.

Shrneme-li to, život na Jupiteru není vyloučen, ale nepochybíme, když na něj budeme hledět mírně skepticky. Není to ale důvod obří planety odepisovat a opomíjet jejich výzkum. Zaprvé jsou v kosmu hojné, zadruhé Jupiterova oblaka, byť třeba sterilní, mohou přinejmenším posloužit jako zajímavá chemická laboratoř, která nám dovolí ochutnat primordiální polévku.

 

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/J/Jupiterlife.html

S. A. Benner, A. Ricardo, M. A. Carrigan (2004): Is there a common chemical model for life in the universe? Current opinion in chemical biology, 8:672-689.

Sagan, C., Salpeter, E. E. (1976): Particles, environments, and possible ecologies in the Jovian atmosphere. Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 32, Dec. 1976, p. 737-755.

http://www.centauri-dreams.org/?p=6308

R. L. Forward: Saturnský Ruchch. Polaris, 2001.