Исследование NASA ставит под сомнение теории о том, откуда пришли ингредиенты для жизни

Вопрос о том, как жизнь началась здесь, на Земле, или как простые организмы возникли из химических соединений, остается загадкой. Хотя ученые подтвердили с помощью ископаемых данных и геологической летописи, что жизнь началась примерно 4 миллиарда лет назад на морском дне (вблизи гидротермальных источников), до сих пор неясно, как ингредиенты для жизни попали на Землю. Общепринятая точка зрения заключается в том, что они были доставлены сюда кометами и астероидами из внешней части Солнечной системы, которые также принесли воду на поверхность Земли.

Эта теория утверждает, что планетезимали доставили эти элементы во внутреннюю Солнечную систему во время Позднего тяжелого бомбардирования, которое, как считается, произошло между 4.1 и 3.8 миллиарда лет назад. Однако новое исследование, поддерживаемое NASA, предоставляет новую информацию о том, как прародительская Земля приобрела жизненно важные элементы (LVE). Их результаты, опубликованные в журнале Science Advances, указывают на то, что Юпитер, вероятно, сыграл ключевую роль в этом процессе.

Исследовательская группа принадлежит к Департаменту Земли, окружающей среды и планетарных наук Университета Райса. Как они указывают, время доставки LVE на Землю остается предметом обсуждения, как и геохимия вовлеченных планетезималей. Традиционные модели связывают это с хондритами из внешней Солнечной системы, каменными метеоритами, которые образовались через два-четыре миллиона лет после формирования первых твердых тел в Солнечной системе. Однако, как отметила команда, этот возраст аккреции исключает их как самый ранний источник LVE.

Чтобы объяснить, вся жизнь на Земле требует одних и тех же основных элементов, известных под акронимом CHNOPS: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Эти элементы образовались в результате слияния водорода и гелия в первом поколении звезд (Популяция III), которые затем были рассеяны по космосу в виде облаков газа и пыли, когда эти массивные звезды взорвались как сверхновые в конце своих коротких жизней (десятки миллионов лет). Эти и другие тяжелые элементы (включая кремний, железо и различные металлы) затем слились, чтобы сформировать последующие поколения звезд и планет.

Примерно 4.6 миллиарда лет назад Солнце образовалось из скопления этого газа и пыли (туманности), испытывая гравитационный коллапс в центре. Оставшийся материал образовал диск вокруг новой звезды, медленно аккрецируя, чтобы сформировать планеты Солнечной системы и планетезимали. Остатки материала в виде астероидов и комет расположились на разных орбитах, большинство из которых попало в Главный астероидный пояс и пояс Койпера. Другие, тем временем, попали на орбиты планет - такие как астероиды, близкие к Земле (NEA), или троянские и греческие группы Юпитера.

Со временем многие из этих объектов пересекли орбиту Земли, ударили по поверхности и были собраны как метеориты. Изучение этих объектов предоставляет окно в раннюю Солнечную систему, гораздо более хаотичное время, когда Земля все еще формировалась. Метеориты делятся на две категории, обе из которых произошли от планетезималей, образовавшихся в разное время в нашей системе. К ним относятся плотные металлические объекты (железные метеориты) и каменные хондриты, последние из которых составляют большинство найденных на Земле.

Старейшие планетезимали являются источником железных метеоритов, в то время как хондриты происходят от второго поколения, которое образовалось через 2-3 миллиона лет позже. Хотя некоторые доказательства указывают на то, что хондриты из внешней Солнечной системы доставили ингредиенты для жизни в конце формирования Земли, ученые продолжают обсуждать, какой тип метеоритов доставил запас LVE на Землю. Новое исследование предполагает, что события могли развиваться иначе, чем предполагают традиционные модели.

Используя лабораторные эксперименты и геохимические модели, команда восстановила карту соотношений фосфора и азота (P/N) по ранней Солнечной системе. Их результаты показали, что в первом поколении планетезималей (железных) объекты имели более высокое соотношение P/N во внешней Солнечной системе, которое уменьшалось по направлению к внутренней Солнечной системе. Эта тенденция изменилась во втором поколении, где хондриты имели более высокие соотношения P/N во внутренней Солнечной системе.

Команда предположила, что в первом поколении поток материала увеличивал соотношение P/N во внешней Солнечной системе. Это изменилось с приходом Юпитера, чье гравитационное влияние ограничивало движение фосфора и азота из внутренней в внешнюю Солнечную систему. Это означало, что когда появилось второе поколение планетезималей, те, которые вращались внутри внутренней Солнечной системы, остались с более высоким соотношением P/N, чем их аналоги, которые вращались дальше от Солнца.

Эти результаты предполагают, что, в отличие от предыдущих моделей, Земля приобрела свой фосфор и азот (оба жизненно важны для жизни) в первую очередь из внутренней Солнечной системы, без дополнительных вкладов из внешней Солнечной системы. Их выводы подтверждаются геохимическими моделями аккреции, показывающими, что современный P/N сигнал Земли лучше всего воспроизводится планетезималями внутренней Солнечной системы, независимо от того, связаны ли они с железными или хондритными метеоритами. Как сказал Радждип Дасгупта из Университета Райса, старший автор исследования, в пресс-релизе NASA:

Для нашей собственной солнечной системы присутствие и история роста Юпитера, действительно, кажется, сыграли критическую роль в определении распределения основных химических ингредиентов, необходимых для обитаемых миров. Остается открытым вопрос, может ли быть установлен бюджет жизненно важных элементов, аналогичный земному, без планеты, подобной Юпитеру, в населении.

"Исследование предполагает, что Земля приобрела свой запас жизненно важных элементов фосфора и азота в первую очередь из внутренней солнечной системы, без необходимости значительного вклада от хондритов внешней солнечной системы," добавил Патхак. Что касается других LVE, способы, которыми они были доставлены на Землю миллиарды лет назад, остаются неизвестными и будут предметом будущих исследований.

Дополнительные материалы: NASA, Science