Дослідження NASA ставить під сумнів теорії про походження інгредієнтів для життя

Питання про те, як життя виникло на Землі, або як прості організми з'явилися з хімічних сполук, залишається частково загадкою. Хоча вчені підтвердили через викопні свідчення та геологічний запис, що життя почалося приблизно 4 мільярди років тому на дні океану (біля гідротермальних вікон), досі неясно, як інгредієнти для життя потрапили на Землю. Загальноприйнята думка полягає в тому, що вони були принесені сюди кометами та астероїдами з зовнішньої Сонячної системи, які також доставили води на поверхню Землі.

Ця теорія стверджує, що планетезимали доставили ці елементи до внутрішньої Сонячної системи під час пізнього важкого бомбардування, яке, як вважається, відбулося між 4.1 та 3.8 мільярдами років тому. Однак нове дослідження, підтримане NASA, надає нову інформацію про те, як первісна Земля отримала елементи, необхідні для життя (LEEs). Їхні результати, опубліковані в журналі Science Advances, вказують на те, що Юпітер, ймовірно, відіграв ключову роль у цьому процесі.

Дослідницька група походить з кафедри Землі, екологічних та планетарних наук Університету Райса. Як вони вказують, час доставки LEEs на Землю залишається предметом дискусій, так само як і геохімія залучених планетезималів. Традиційні моделі відносять це до хондритів зовнішньої Сонячної системи, кам'яних метеоритів, які сформувалися через два-четири мільйони років після формування перших твердих тіл у Сонячній системі. Однак, як зазначила команда, цей вік акреції виключає їх як найраніший джерело LEEs.

Художнє уявлення про диск космічного сміття навколо Сонця, з якого формуються системи планет. Кредит: NASA

Щоб розібратися, все життя на Землі потребує тих самих основних елементів, відомих за акронімом CHNOPS: вуглець, водень, азот, кисень, фосфор і сірка. Ці елементи утворилися в результаті злиття водню та гелію в першому поколінні зірок (Популяція III), які потім були розсіяні по космосу у вигляді хмар газу та пилу, коли ці масивні зірки вибухнули як наднові в кінці своїх коротких життєвих циклів (десятки мільйонів років). Ці та інші важкі елементи (включаючи кремнезем, залізо та різні метали) потім злилися, щоб утворити наступні покоління зірок і планет.

Приблизно 4.6 мільярда років тому Сонце сформувалося з колекції цього газу та пилу (туманність), зазнавши гравітаційного колапсу в центрі. Залишковий матеріал утворив диск навколо нової зірки, повільно акреуючи, щоб сформувати планети Сонячної системи та планетезимали. Те, що залишилося, у вигляді астероїдів і комет, осіло в різних орбітах, більшість - у Головному астероїдному поясі та поясі Койпера. Інші, тим часом, впали в орбіти планет - як поблизу Землі астероїди (NEAs) або тройянські та грецькі популяції Юпітера.

З часом багато з цих об'єктів перетнули орбіту Землі, вдарилися об поверхню і були знайдені як метеорити. Вивчення цих об'єктів надає вікно в ранню Сонячну систему, набагато більш хаотичний час, коли Земля все ще формувалася. Метеорити поділяються на дві категорії, обидві з яких походять від планетезималів, що сформувалися в різний час у нашій системі. Це включає щільні металеві об'єкти (залізні метеорити) та кам'яні хондрити, останні з яких складають більшість тих, що знайдені на Землі.

Найстаріші планетезимали є джерелом залізних метеоритів, тоді як хондрити походять з другого покоління, яке сформувалося через 2-3 мільйони років пізніше. Хоча деякі свідчення вказують на те, що хондрити з зовнішньої Сонячної системи доставили інгредієнти для життя пізно в формуванні Землі, вчені продовжують дискутувати, який тип метеоритів доставив запаси LEEs на Землю. Нове дослідження припускає, що все могло статися інакше, ніж пропонують традиційні моделі.

Використовуючи лабораторні експерименти та геохімічні моделі, команда відтворила карту співвідношення фосфору до азоту (P/N) по ранній Сонячній системі. Їхні результати показали, що під час першого покоління планетезималів (залізних) об'єкти мали вищий коефіцієнт P/N у зовнішній Сонячній системі, який зменшувався в напрямку внутрішньої Сонячної системи. Ця тенденція була зворотною у другому поколінні, де хондрити мали вищі коефіцієнти P/N у внутрішній Сонячній системі.

Ілюстрація нашої сонячної системи. Астероїдний пояс знаходиться між Марсом і Юпітером, розділяючи нашу систему на внутрішні та зовнішні регіони. NASA/JPL-Caltech

Команда теоретизувала, що під час першого покоління зовнішній потік матеріалу підвищив коефіцієнт P/N у зовнішній Сонячній системі. Це змінилося з приходом Юпітера, чий гравітаційний вплив обмежив переміщення фосфору та азоту з внутрішньої до зовнішньої Сонячної системи. Це означало, що коли з'явилося друге покоління планетезималів, ті, що оберталися в межах внутрішньої Сонячної системи, залишилися з вищим коефіцієнтом P/N, ніж їхні аналоги, які оберталися далі від Сонця.

Ці результати свідчать про те, що, на відміну від попередніх моделей, Земля отримала свій фосфор і азот (обидва необхідні для життя) переважно з внутрішньої Сонячної системи, без додаткових внесків з зовнішньої Сонячної системи. Їхні результати підтверджуються геохімічними моделями акреції, які показують, що сучасний P/N підпис Землі найкраще відтворюється планетезималами внутрішньої Сонячної системи, незалежно від того, чи пов'язані вони з залізними чи хондритними метеоритами. Як сказав Радждіп Дасгупта з Університету Райса, старший автор дослідження, у прес-релізі NASA:

Для нашої власної сонячної системи присутність і історія зростання Юпітера, дійсно, здається, відіграли критичну роль у визначенні розподілу основних хімічних інгредієнтів, необхідних для придатних для життя світів. Питання залишається відкритим, чи може бути встановлений бюджет елементів, необхідних для життя, подібний до Землі, без планети, схожої на Юпітер, у популяції.

"Дослідження припускає, що Земля отримала свій запас елементів, необхідних для життя, фосфору та азоту, переважно з внутрішньої сонячної системи, без значного внеску з хондритів зовнішньої сонячної системи", - додав Патхак. Що стосується інших LEEs, способи, якими вони були доставлені на Землю мільярди років тому, ще належить з'ясувати і будуть предметом майбутніх досліджень.

Додаткове читання: NASA, Science