Новое исследование показало, что первые строительные блоки жизни на Земле могли образоваться благодаря извержениям нашего Солнца. Серия химических экспериментов показывает, как солнечные частицы, сталкиваясь с газами в ранней атмосфере Земли, могут образовывать аминокислоты и карбоновые кислоты, основные строительные блоки белков и органической жизни. Выводы были опубликованы в журнале Life.
Чтобы понять происхождение жизни, многие ученые пытаются объяснить, как образовались аминокислоты, сырье, из которого образовались белки и вся клеточная жизнь. Самое известное предположение возникло в конце 1800-х годов, когда ученые предположили, что жизнь могла зародиться в «теплом маленьком пруду»: супе химических веществ, питаемых молнией, теплом и другими источниками энергии, которые могут смешиваться в концентрированных количествах для образуют органические молекулы.
В 1953 году Стэнли Миллер из Чикагского университета попытался воссоздать эти первобытные условия в лаборатории. Миллер заполнил закрытую камеру метаном, аммиаком, водой и молекулярным водородом — газами, которые, как считается, преобладали в ранней атмосфере Земли — и неоднократно зажигал электрическую искру, имитируя молнию. Через неделю Миллер и его научный руководитель Гарольд Юри проанализировали содержимое камеры и обнаружили, что образовалось 20 различных аминокислот.
«Это было большим откровением. Из основных компонентов атмосферы ранней Земли можно синтезировать эти сложные органические молекулы», - сказал астрофизик Владимир Айрапетян из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте.
Но последние 70 лет усложнили эту интерпретацию. Теперь ученые считают, что аммиака (NH 3) и метана (CH 4) было гораздо меньше; вместо этого воздух Земли был наполнен двуокисью углерода (CO 2) и молекулярным азотом (N 2), для распада которых требуется больше энергии. Эти газы все еще могут давать аминокислоты, но в значительно меньших количествах.
В поисках альтернативных источников энергии некоторые ученые указали на ударные волны от падающих метеоров. Другие ссылались на солнечное ультрафиолетовое излучение. Айрапатян, используя данные миссии НАСА «Кеплер», указал на новую идею: энергичные частицы нашего Солнца.
Кеплер наблюдал за далекими звездами на разных стадиях их жизненного цикла, но его данные дают намеки на прошлое нашего Солнца. В 2016 году Айрапетян опубликовал исследование, в котором предполагалось, что в течение первых 100 миллионов лет существования Земли Солнце было примерно на 30% тусклее. Но солнечные «супервспышки» — мощные извержения, которые сегодня мы наблюдаем примерно раз в 100 лет, — должны были извергаться каждые 3–10 дней. Эти супервспышки запускают частицы со скоростью около света, которые регулярно сталкиваются с нашей атмосферой, запуская химические реакции.
«Как только я опубликовал эту статью, со мной связалась команда Йокогамского национального университета в Японии», — сказал Айрапетян.
Доктор Кобаяши, профессор химии, провел последние 30 лет, изучая химию пребиотиков. Он пытался понять, как галактические космические лучи — поступающие частицы из-за пределов нашей Солнечной системы — могли повлиять на атмосферу ранней Земли. «Большинство исследователей игнорируют галактические космические лучи, потому что для них требуется специальное оборудование, такое как ускорители частиц», — сказал Кобаяши. «Мне посчастливилось иметь доступ к нескольким из них рядом с нашими объектами». Незначительные изменения в экспериментальной установке Кобаяши могли бы проверить идеи Айрапатяна.
Айрапетян, Кобаяши и их сотрудники создали смесь газов, соответствующую атмосфере ранней Земли, как мы ее понимаем сегодня. Они объединили углекислый газ, молекулярный азот, воду и переменное количество метана. (Доля метана в ранней атмосфере Земли неизвестна, но считается низкой.) Они стреляли в газовые смеси протонами (имитация солнечных частиц) или поджигали их искровыми разрядами (имитация молнии), воспроизводя эксперимент Миллера-Юри для сравнения.
Пока доля метана превышала 0,5%, смеси, выстреливаемые протонами (солнечными частицами), производили определяемые количества аминокислот и карбоновых кислот. Но искровые разряды (молнии) требовали концентрации метана около 15%, прежде чем вообще образовались какие-либо аминокислоты.
«И даже при 15% метана скорость производства аминокислот молнией в миллион раз меньше, чем протонами», — добавил Айрапетян. Протоны также имеют тенденцию производить больше карбоновых кислот (предшественников аминокислот), чем те, которые зажигаются искровыми разрядами.
При прочих равных условиях солнечные частицы кажутся более эффективным источником энергии, чем молния. Но все остальное, вероятно, не было равным, предположил Айрапетян. Миллер и Юри предположили, что молния была столь же обычным явлением во времена «теплого маленького пруда», как и сегодня. Но молния, исходящая от грозовых облаков, образованных восходящим теплым воздухом, была бы более редкой при тусклом солнце на 30%.
«В холодных условиях никогда не бывает молний, а ранняя Земля находилась под довольно слабым солнцем», — сказал Айрапетян. «Это не говорит о том, что это не могло произойти из-за молнии, но теперь молнии кажутся менее вероятными, а солнечные частицы — более вероятными».
Эти эксперименты показывают, что наше активное молодое солнце могло катализировать предшественников жизни легче и, возможно, раньше, чем предполагалось ранее.