Сможем ли мы когда-нибудь понять, как зародилась жизнь на Земле? Мы многое узнали о долгой, многомиллиардной истории Земли, но детальное понимание того, как развивалась химия атмосферы планеты, все еще ускользает от нас. Когда-то Земля была атмосферно враждебной, и ее переход из этого состояния к планете, изобилующей жизнью, прошёл сложный путь.
Что сделало Землю такой особенной? Исследования показывают, что, хотя сейчас Земля полностью отличается от соседних планет, в прошлом она имела многие общие атмосферные характеристики с современными Венерой и Марсом. Как Земля оказалась такой разной?
Лучшее понимание атмосферного путешествия Земли может помочь нам понять некоторые из обнаруженных нами далеких экзопланет. В ближайшем будущем новые телескопы раскроют больше деталей атмосфер экзопланет. Множество загадок ждут нас, и некоторые решения для их понимания можно найти на древней Земле.
Древняя Земля имела восстановительную атмосферу, а это значит, что на ней не хватало свободного кислорода. В атмосфере содержались восстановительные газы, такие как водород и метан. Эти газы быстро вступают в реакцию с кислородом и удаляют его из атмосферы. Некоторые из этих молекул также реагируют с ультрафиолетовым светом, и в результате химических реакций образуются органические молекулы.
Хотя это общее описание некоторых аспектов атмосферы древней Земли, существует множество деталей, которые необходимо уточнить, прежде чем появится более ясная картина трансформации Земли.
Исследователи из Университета Тохоку, Токийского университета и Университета Хоккайдо разработали новую модель атмосферных химических реакций, которая проливает свет на то, как развивалась атмосфера Земли и как могла возникнуть первая жизнь.
Исследование называется «Синтез усиленной самозащитной органики в ранней восстановленной атмосфере Земли». Оно опубликовано в журнале Astrobiology, а ведущим автором является Тацуя Ёсида из Университета Тохоку.
Прежде чем могла появиться жизнь, Земле требовался хороший запас важных пребиотических молекул, таких как формальдегид (H2CO) и ядовитый цианистый водород (HCN). Эти молекулы имеют решающее значение, поскольку они могут подвергаться самым разнообразным реакциям для образования более сложных молекул, необходимых для жизни. Они производят аминокислоты, сахара и азотистые основания, которые являются строительными блоками для ДНК и РНК.
Исследования показывают, что сильно разреженная атмосфера, такая как атмосфера древней Земли, является кандидатом на производство этих важных пребиотических молекул, особенно если она находится над первичным океаном. Первобытный океан Земли, или протоокеан, также сильно отличался от современного океана. Помимо прочего, оно было кислым из-за вулканических газов. Также было жарко.
«Древняя Земля не имела ничего общего с нашим нынешним домом», — объясняет соавтор Сюнго Кояма, также из Университета Тохоку. «Это было гораздо более враждебное место; богат металлическим железом, а атмосфера содержит водород и метан».
УФ-излучение Солнца бомбардировало древнюю Землю беспрепятственно со стороны озонового слоя, вызывая химические реакции в атмосфере, океанах и коре древней Земли.
Это понятно. Но учёные желают лучшего понимания всех деталей. «Однако соотношение разветвлений между образованием и окислением органического вещества остается неизвестным, несмотря на его значение для абиотической химической эволюции ранней Земли», — объясняют авторы.
Исследователи разработали фотохимическую модель восстановленной атмосферы Земли, в основном содержащей H2 и CH4. Их модель основана на модели, которая была успешно применена к атмосфере Юпитера, атмосферам древнего и современного Марса, а также неконтролируемым парниковым атмосферам. Модель учитывает 342 отдельные химические реакции, а также включает выход водорода из атмосферы и перемешивание в атмосфере.
Молодое Солнце излучало более интенсивное УФ-излучение, чем современное Солнце. УФ-излучение расщепляет молекулы воды на радикалы водорода и кислорода. Радикалы имеют один неспаренный электрон, что делает их химически активными. Большая часть водорода улетела в космос, а кислорода — нет.
Кислородные радикалы в сочетании с метаном привели к созданию органических молекул, таких как HCN и H2CO.
В атмосфере также присутствовали углеводороды, такие как ацетилен (C2H2) и метилацетилен (C3H4). Эти химические вещества поглощали часть ультрафиолета, защищая нижние слои атмосферы от фотодиссоциации. «Согласно нашим результатам, поглощение УФ-излучения газообразными углеводородами, такими как C2H2 и C3H4, значительно подавляет фотолиз H2O и последующее окисление CH4», — объясняют авторы. Атмосферный метан способствовал производству органики.
Это позволило органическим молекулам накапливаться в пребиотическом супе, который мог бы стать строительным материалом для жизни.
«Соответственно, почти половина исходного CH4, возможно, превращается в более тяжелую органику вместе с отложением пребиотически важных молекул, таких как HCN и H2CO, на поверхности первичного океана в геологическом масштабе порядка 10-100 млн лет», — пишут авторы.
С течением времени и развитием восстановленной атмосферы H2CO и HCN постоянно синтезировались и накапливались в океане. H2CO и HCN считаются критически важными в химии пребиотиков. Согласно этим результатам, ранняя атмосфера Земли была основным источником этих важных пребиотических молекул. Они не обязательно должны были исходить от метеоритов или комет.
Авторы подсчитали, что океан мог быть покрыт слоем органики толщиной в несколько сотен метров. «Непрерывное поступление этих пребиотически важных молекул потенциально может привести к синтезу аминокислот, нуклеиновых оснований, сахаров и их полимеров», — пишут исследователи.
«Возможно, произошло скопление органических веществ, создавшее нечто вроде обогащенного супа из важных строительных блоков. Это могло быть источником, из которого живые существа впервые появились на Земле», — сказал ведущий автор Ёсида.
Модель показывает, что ранняя атмосфера Земли была очень похожа на атмосферу современных Марса и Венеры. Однако Земля превратилась в совершенно другой мир. Как?
Это исследование не объясняет всего этого. Но это действительно углубляет наше понимание эволюционного пути, по которому следовала Земля.
Возникает вопрос: уникальна ли Земля? Или это общий путь, по которому могут следовать экзопланеты в других Солнечных системах?
