Jordens atmosfære demonstrerer fantastisk biosentrisk finjustering
Michael Denton; 17. mai 2022 Oversatt herfra.

Sammendrag: Vår planets atmosfære gir et vakkert eksempel på nøysomheten og elegansen til naturens finjustering for aerobsk liv. Denne usedvanlig usannsynlige graden av miljøegnethet ble vevd inn i tingenes rekkefølge.

Bilde 1. Jordatmosfæren

Redaktørens notat: Biolog Michael Dentons nye bok, The Miracle of Man: The Fine-Tuning of Nature for Human Existence -lenke, er ute nå. Dette essayet er tilpasset fra kapittel 3, "Egnethet for aerobisk Liv."

I min bok 'The Miracle of Man' gjennomgår jeg en fantastisk rekke tilfeldigheter i naturen som bør inspirere både ærefrykt og undring. En slående illustrasjon kan finnes i vår planets atmosfære, som gir overbevisende bevis på en veldig spesiell egnethet for generering av oksygen for oksygenhungrige vesener som oss selv.

For at fotosyntesen skal fortsette på en planet som Jorden, må sollys (visuelt lys) trenge gjennom atmosfæren helt til bakken, og en del av solens infrarøde stråling må absorberes av atmosfæren for å varme opp planeten inntil omgivelsestemperaturens rekkevidde, hvor livets kjemi, inkludert fotosyntesens kjemi, kan virke magi.
Heldigvis imøtekommer atmosfæren vår. Jordens atmosfære absorberer en betydelig brøkdel av den infrarøde strålingen - varmer atmosfæren inn i omgivelsesområdet - og slipper gjennom nesten all strålingen i det visuelle området for å styrke prosessen med fotosyntese.

Bilde 2. Bebeoelig sone -jorda i sentrum av den

Noe infrarød stråling når jordoverflaten, føles som varme på huden, og noen trenger et stykke ned i vannet, slik man ofte opplever i et svømmebasseng. Men det er flere store atmosfæriske absorpsjonsbånd i det nære infrarøde området som fanger opp og holder på solens varme, og øker planetens overflatetemperatur med 33C over hva den ville vært uten dem, en kjølig -18C atmosfære.

Hvis atmosfæren vår ikke absorberte minst en betydelig brøkdel av den infrarøde strålingen når solen skinte, ville atmosfæren være utålelig varm om dagen, og når natten falt, ville temperaturen synke under null. Vi ville oppleve ville temperatursvingninger som de på månen. Temperaturene øker på dagtid til mer enn 100C (kokepunktet for vann ved havnivå) og faller ned til -178C om natten, en temperatur som er langt, langt kaldere enn noen som helst opplevd på jorden i dag. Denne store variasjonen skyldes at månen ikke har noen atmosfære som holder på varmen om natten eller forhindrer at overflaten blir så varm om dagen. Ingen type karbonbasert planteliv basert i en vannmatrise kunne overleve slike massive temperatursvingninger.

På den annen side, hvis atmosfæren vår absorberte for mye i det infrarøde området, ville det også være katastrofalt. Og dette fremhever et annet spennende element av egnethet i absorpsjonsmønsteret til elektromagnetisk stråling i det infrarøde området. Vinduene mellom absorpsjonstoppene er like avgjørende som toppene. Hvorfor? For uten noen spektralvinduer ville all den infrarøde strålingen bli absorbert av atmosfæren, ingen kunne stråle ut i verdensrommet igjen, og Jorden ville lide av en løpsk drivhuseffekt, og ende opp i et helveteslignende drivhus, lik Venus.

Bilde 3. Synlig lys -i et smalt spekter

Et viktig absorpsjonsvindu
I denne sammenhengen er et spennende trekk ved atmosfærens absorpsjonsspektrum et viktig absorpsjonsvindu, plassert mellom åtte og fjorten mikron. Det er spennende fordi solen ikke er den eneste himmellegemet som sender ut infrarød stråling. Jorden gjør det også, siden alle legemer ved en gitt temperatur sender ut stråling med et karakteristisk bølgelengdeområde. I jordas tilfelle er utslippstoppen i det infrarøde området nær 10 mikron. Og atmosfærens absorpsjonsgap lar en betydelig brøkdel av jordens infrarøde utslipp slippe ut i verdensrommet gjennom vinduet på åtte til fjorten mikron. Rundt en fjerdedel av det utgående infrarøde utslippet fra Jorden slipper ut gjennom dette vinduet, som følgelig spiller en stor rolle i å hindre planeten vår i å bli lik Venus.

Hvis all stråling i det infrarøde mellom 0,80 og 100 mikron hadde blitt absorbert av de atmosfæriske gassene, hvis det ikke fantes vinduer, ville et mobilt drivhus vært uunngåelig. Jorden ville være en varm, Venus-lignende planet. Av disse vinduene, inkludert åtte-til-fjorten mikron-vinduet, avhenger alt avansert liv på jordens overflate, inkludert selvfølgelig Homo sapiens. Det er ingen overdrivelse å si selv med alle de andre elementene av egnethet som muliggjør vår eksistens, uten dette åtte-til-fjorten mikron-vinduet - bare en liten detalj i atmosfærens totale absorpsjonsspekter - ville vi ikke eksistert. Dette representerer nok et fantastisk eksempel på den biosentriske finjusteringen av naturen.

Noen ekstra slump-begivenheter {ironi lagt inn -oversetters kommentar}
Før vi går over til rollen til spesifikke atmosfæriske gasser i finjusteringen av atmosfæren vår for avansert jordisk liv, her er noen raske merknader om noen ekstra fordeler angående jordas forhold til lys.

Lyset som passerer gjennom atmosfæren vår må trenge gjennom vann, ikke bare for å gi solenergien til vannplanter, men fordi vann er livets matrise, og for å nå kloroplastene i en hvilken som helst grønn plante, må vannlevende eller terrestrisk lys passere vannet i celle. Igjen forplikter naturen at vann er gjennomsiktig for stråling i det synlige spekteret, lik en væske, lik damp i atmosfæren og lik is. Hvis flytende vann eller vanndamp i atmosfæren absorberte visuelt lys - det rette lyset for fotosyntese - ville fotosyntese ikke være mulig, og jorden ville være blottet for aerobe livsformer.

Tilfeldig er også gjennomsiktigheten av atmosfæren vår til synlig lys, som gjorde viktige vitenskapelige fremskritt mulig, som Carl Sagan understreket i sin bok fra 1980 Cosmos. Der ba han oss se for oss intelligent liv som utvikler seg på en skydekket planet som Venus. "Ville den da finne opp vitenskapen?" spurte han. "Utviklingen av vitenskap på jorden ble ansporet grunnleggende av observasjoner av regelmessighetene til stjernene og planetene. Men Venus er fullstendig skydekket... ingenting av det astronomiske universet ville vært synlig hvis du så opp på Venus' nattehimmel. Selv solen ville være usynlig på dagtid; dens lys ville bli spredt og spredt over hele himmelen - akkurat som dykkere ser bare en ensartet omsluttende utstråling under havet."
Til slutt er det ikke bare at atmosfæren vår slipper gjennom det rette lyset. Den absorberer også sterkt stråling fra de farlige eller potensielt farlige områdene i det elektromagnetiske spekteret på hver side av de visuelle og nær infrarøde områdene.

Bilde 4. Jordatmosfæren tidligere og nå

De atmosfæriske gassene
Et annet bemerkelsesverdig aspekt ved absorpsjonsegenskapene til jordens atmosfære er at den oppstår fra de kombinerte absorpsjonsspektrene til de atmosfæriske gassene, hvorav fem - nitrogen (N2), oksygen (O2), ozon (O3), karbondioksid (CO2) og vanndamp (H2O) - er bundet til å være tilstede i atmosfæren til enhver planet som er vert for komplekst karbonbasert biologisk liv. Det er deres kombinerte absorpsjonsegenskaper som slipper gjennom akkurat det rette lyset for fotosyntese samtidig som de absorberer akkurat den rette mengden varme, samt det meste av den skadelige strålingen utenfor de visuelle og infrarøde områdene.
Oksygen
Oksygen (O2) er uunnværlig for komplekse organismer som oss selv. Vi trenger mye av det (250 ml hvert minutt, selv i hvile). Faktisk er stoffskiftet som trengs for å opprettholde det mest avanserte biologiske livet, avhengig av å ta oksygen direkte fra en atmosfære. Atmosfærer som opprettholder komplekst aerobt liv vil uunngåelig inneholde betydelige mengder oksygen.
Ozon
Der det er O2 i en atmosfære er det bundet til også å være ozon (O3), siden det dannes i stratosfæren ved reaksjonen av individuelle oksygenatomer med molekyler av dioksygen, katalysert av virkningen av UV-lys.
O2 + O = O3
Ozon er viktig for livet fordi det absorberer skadelig ultrafiolett stråling.

Bilde 5. Fininnstilt karbondannelse

Karbondioksid
Å puste innebærer å ta inn oksygen og puste ut karbondioksid (CO2), som er et hovedprodukt av aerob metabolisme (prosessen som gir oss 90 prosent av energibehovet vårt). Følgelig vil CO2 finnes i atmosfæren til enhver planet der organismer bruker oksidasjon av redusert karbon for å generere energi. Karbondioksid er også viktig for planter, som krever det for fotosyntese. Dessuten er CO2 den eneste mulige bæreren av karbonatomet til alle deler av enhver karbonbasert biosfære.
CO2 leveres også til atmosfæren på jorden ved vulkansk aktivitet og resirkuleres via silikatforvitring.
Vanndamp
Atmosfærisk vanndamp vil bli funnet i atmosfæren til enhver planet som huser rikelig med karbonbasert liv fordi vann er den essensielle fysiske matrisen for alle karbonbaserte celler og det er det nødvendige mediet for sirkulasjonssystemet i alle komplekse flercellede organismer. Bare verdener som har vann kan huse karbonbasert liv, derav NASA-ordtaket "følg vannet" i jakten på utenomjordisk liv. Og siden vann fordamper ved temperaturer som passer for biokjemi, er noe vanndamp nødt til å være tilstede i atmosfæren til enhver verden som bærer karbonbasert liv.

Nitrogen
Atmosfærisk nitrogen gir de fleste nitrogenatomene som er innlemmet i organiske forbindelser av livet på jorden. Det er et av de fire kjerneatomene i organisk kjemi sammen med karbon, oksygen og hydrogen. Det gir nødvendig tetthet til atmosfæren, hindrer våre hav fra å fordampe, og fungerer som et brannhemmende middel, reduserer hastigheten som brannen sprer seg, og gjør den kontrollerbar. Nitrogen er den eneste levedyktige kandidaten for disse rollene og ser derfor ut til å være en essensiell ingrediens i atmosfæren til enhver planet som er vert for karbonbasert liv.
Alt dette tyder på at oksygen, nitrogen, vanndamp, karbondioksid, så vel som ozon, er bundet til å være tilstede i atmosfæren til enhver verden bebodd av oksygenutnyttende, avansert karbonbasert liv, av grunner utover deres livsvennlige atmosfærisk transparens for de riktige typene elektromagnetisk stråling.

De riktige proporsjonene
Atmosfæren vår har ikke bare de riktige komponentene for et komplekst aerobt liv, den har dem også i de riktige proporsjonene. Bare en oksygenkonsentrasjon på rundt 20 prosent, ved et partialtrykk på mer enn 80 mm Hg, gir det nødvendige oksygenet for den aktive metabolismen til organismer som oss selv. Hvis konsentrasjonen var vesentlig høyere, ville branner være en langt større fare. Når det gjelder nitrogen, er det bare en betydelig mengde nitrogen som gir tettheten og trykket som er nødvendig for å forhindre at branner herjer ukontrollert i oksygenrike atmosfærer som jordens, og for å forhindre at havene fordamper.

CO2-nivåer har variert gjennom geologisk tid, selv om de i løpet av de siste 400 millioner årene - siden avansert liv koloniserte landet - nesten helt sikkert aldri har nådd nivåer som er ti ganger høyere enn i dag og sannsynligvis aldri mer enn rundt fire til fem ganger dagens nivå. En fersk studie ga bevis på dette. Den fant at heving av CO2-nivåer i kontrollerte atmosfærer opptil fire ganger nåværende nivåer reduserte kognitiv funksjon hos mennesker. Dette gir en indikasjon på et CO2-tak, utover hvilket avansert liv kanskje ikke lenger er levedyktig.

Bilde 6. Drivhuseffekten

Drivhusgassene
Diatomiske molekyler med de samme to atomene, som O2 eller N2, absorberer ikke infrarød stråling. Dette er ganske heldig for livet på jorden, siden hvis en av disse to gassene, som utgjør det meste av atmosfæren vår, var sterke absorbere av infrarød stråling, ville jorden sannsynligvis ha blitt en kokende gryte som Venus, med temperaturer varme nok til å smelte bly .
Også tilfeldig: de viktigste drivhusgassene CO2 og H2O er begge stabile i nærvær av O2. Dette er enormt viktig. Hvis de var ustabile i nærvær av oksygen, ville hele atmosfæriske systemet og den globale varmebalansen kollapse. Aerobisk liv, vår slags liv, ville være umulig. Men i tråd med naturens dype egnethet for avansert liv slik det eksisterer på jorden, er H2O og CO2 fullstendig oksidert, og stabile i nærvær av oksygen. Nitrogen, hovedkomponenten i atmosfæren, er også stabil i nærvær av oksygen, fordi nitrogenatomene i N2 binder seg sterkt til hverandre og motstår å kombinere med oksygen. Stabiliteten til vann, karbondioksid og nitrogen i nærvær av oksygen er et poeng verdt å understreke, siden de fleste andre stoffer (bortsett fra edelgassene) reagerer sterkt med oksygen - i noen tilfeller eksplosivt.

Et fascinerende ytterligere teleologisk aspekt ved alt dette gjelder mengden ozon i atmosfæren. På grunn av de enorme mengdene O2 i atmosfæren vil det uunngåelig også være noe ozon (O3). Selv om ozon er uunnværlig for å blokkere skadelig ultrafiolett stråling, er det også en kraftig drivhusgass som absorberer sterkt i det infrarøde området - tusen ganger sterkere enn CO2. På grunn av dette vil alt utover spormengder av ozon bidra farlig til drivhuseffekten. Dette betyr at dens livgivende egnethet til å absorbere den farlige ultrafiolette strålingen mellom 0,20 og 0,30 mikron ville bli fullstendig opphevet hvis mer enn spormengder var nødvendig for den vitale oppgaven, eller hvis den ble produsert i overflødige mengder ved virkningen av ultrafiolett stråling på O2 i stratosfæren. Heldigvis er det bare spormengder som trengs for effektivt å blokkere skadelig ultrafiolett stråling, og nedbrytningshastigheten av ozon i stratosfæren tilsvarer nesten syntesehastigheten, noe som garanterer at den faktisk bare er tilstede i spormengder.
Til slutt, et spennende aspekt ved ozonsyntesen i atmosfæren er at ozon (O3) og diatomisk oksygen (O2) indirekte fremmer sin egen dannelse ved å absorbere farlig ultrafiolett stråling og derved beskytte plantelivet, både vannlevende og terrestriske, som syntetiserer oksygenet som ozon dannes. Dette er nok et vakkert eksempel på sparsomheten og elegansen til naturens fantastiske egnethet for aerobisk-liv.

Bilde 7: Fotosyntesen

Vitale tilfeldigheter
Absorpsjonsegenskapene til atmosfæren vår er ikke avgjørende for alt karbonbasert liv på jorden, men spesielt for planter og energihungrige aerober som oss selv. Atmosfærens tilfeldige blanding av gasser muliggjør fotosyntese og produksjon av oksygen, varmer jorden opp til omgivelsestemperaturområdet og beskytter liv mot skadelig stråling. Selv små forskjeller i våre atmosfæriske gassers absorpsjonsegenskaper, eller i deres relative konsentrasjon, og jorden ville være ubeboelig, spesielt for aerobt liv. Og merk at disse gassene eksisterer i atmosfæren vår, og i de proporsjoner de gjør, på grunn av faktorer som er ganske forskjellige fra de livsessensielle absorpsjonsegenskapene beskrevet ovenfor.
Det er en siste vri på denne teleologien: Tre av de viktigste atmosfæriske gassene hvis fysiske absorpsjonsegenskaper er uunnværlige for prosessen med fotosyntese, er også sentrale aktører i selve fotosynteseprosessen: 6CO2 + 6H2O +lys +varme --> C6H12O6 + 6O2.

De er faktisk de viktigste reaktantene i prosessen. Det er som om CO2, H2O og O2 bevisst samarbeidet for å inkorporere seg selv i levende materie.

Bilde 8. Hårtynt intervall av elektromagnetisk spekter som mulggjør fotosyntese

Lys og luft
La oss vurdere. Naturlovene, som bestemmer absorpsjonsegenskapene til de atmosfæriske gassene, har ingen logisk nødvendig sammenheng med deres kjemiske egenskaper eller de kjemiske egenskapene til deres inngående atomer, som er så nyttige for liv. Dette er en slående tilfeldighet i sakens natur.
På samme måte er det ingen sammenheng mellom naturlovene som bestemmer den lille størrelsen på det biologisk nyttige området i det elektromagnetiske spekteret, og de lovene som bestemmer solens strålingseffekt. Og det er ingen sammenheng mellom strålingseffekten fra solen og lovene som bestemmer absorpsjonsegenskapene til de atmosfæriske gassene og flytende vann.

Så her har vi flere tilfeldigheter som eksistensen av oksygenhungrige aerobe organismer som oss selv avhenger av. I den 15. utgaven av Encyclopaedia Britannica, i artikkelen med tittelen "Electromagnetic Radiation", kommenterer forfatterne: "Med tanke på betydningen av synlig sollys for alle aspekter av jordlivet, kan man ikke unngå å bli overveldet av det dramatisk smale vinduet i atmosfærisk absorpsjon. ... og i absorpsjonsspekteret til vann."

Og det er ikke bare det "dramatisk smale vinduet." Vi bør være i ærefrykt for hele ensemblet av tidligere miljøegnethet, et ensemble som muliggjør fotosyntese og, i forlengelsen, vår egen eksistens som oksygenhungrige "lysetere".

Enkelt sagt, vår eksistens, som bor på overflaten av en planet som Jorden, og henter energi generert ved oksidasjon av de reduserte karbonforbindelsene som produseres under fotosynteseprosessen, avhenger av det som bare kan beskrives som en usedvanlig usannsynlig grad av miljømessig egnethet i orden på tingene. Legg også merke til at de usannsynlige tilfeldighetene som er gjennomgått ovenfor, og mye mer fullstendig behandlet i The Miracle of Man, i stor grad er irrelevante for det andre store domenet av karbonbasert liv på planeten vår - den store biomassen av 'stein-spisende' anaerobe innbyggere i mørket. Naturens fryktinngytende egnethet for fotosyntese er en egnethet for vår type liv, for liv i lyset, for liv på en planetarisk overflate, for skapninger som oss selv.

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund