Недавно открытая реакция кислорода может помочь в поиске внеземной жизни

Ученые открыли новый способ образования кислорода в богатых углекислым газом атмосферах миров за пределами нашей планеты, что ставит под сомнение предположения о том, как нам следует искать жизнь на других планетах, а возможно, и о происхождении самой жизни.

«Большая часть поисков жизни или признаков жизни на других планетах на самом деле доказывает, что все, что мы наблюдаем, может быть создано способами, не требующими жизни. Это исследование показывает другой путь получения молекулярного кислорода, который ранее не всегда считался жизнеспособным», - объясняют эксперты. 

До резкого повышения уровня кислорода в атмосфере (O2) на Земле во время Великого окислительного события примерно 2,4 миллиарда лет назад, когда цианобактерии, живущие в океанах, начали вырабатывать кислород посредством фотосинтеза, в первичной атмосфере нашей планеты преобладал углекислый газ (CO2) с небольшими примесями кислорода.

«Эти молекулы O2 были получены исключительно посредством абиотических [небиологических] процессов», — пишет группа исследователей под руководством Шань Си Тяня и Цзе Ху из Китайского университета науки и технологий.

Тянь и Ху говорят, что их завораживал процесс образования этого примитивного атмосферного кислорода, и они сообщили о новом механизме, посредством которого это могло произойти.

Другие, тем временем, предполагают, что кислород образовался посредством механизмов, таких как так называемая реакция «трехтельной рекомбинации» двух атомов кислорода или диссоциация CO2 под действием ультрафиолетового света. Некоторые также считают, что вещество могло образоваться посредством специфических реакций с электронами . «Однако мы обнаружили совершенно иной путь получения O2 из молекулярного CO2», — сказал Тянь. «А именно, посредством реакции ионов гелия [He+] с CO2».

Большинство ионов гелия образуются, когда альфа-частицы солнечного ветра взаимодействуют с молекулами в верхних слоях атмосферы, создавая заряженные частицы, известные как ионы, которые затем реагируют с CO2, что может привести к образованию O2. «Эта реакция должна наблюдаться в верхних слоях атмосферы Марса, поскольку там присутствует большое количество ионов He+ (из-за солнечных ветров) и CO2», — объяснил Ху.

Однако, несмотря на то, что было подтверждено, что эти реакции приводят к образованию различных ионов, таких как O+, O2+ и CO2+ в ионосфере Марса, до сих пор нет никаких доказательств того, что O2 образуется именно таким образом.

Для доказательства своей теории ученые использовали времяпролетную (TOF) масс-спектрометрию, метод, который определяет отношение массы к заряду ионов газовой фазы путем измерения времени, необходимого им для прохождения известного расстояния в приборе, называемом спектрометром. Этот метод основан на принципе, что ионы, ускоренные электрическим полем известной силы, приобретают разные скорости в зависимости от отношения их массы к заряду и, следовательно, достигают детектора в разное время.

Но Ху и Тянь пошли еще дальше, объединив TOF с тем, что известно как «аппарат с перекрестными пучками» и «карты скорости ионов», чтобы попытаться выяснить возможные механизмы, которые могли бы дать молекулярный кислород. В этой установке два пучка частиц — CO2 и He+ — пересекались в контролируемых условиях, позволяя реакциям происходить в точке столкновения.

Полученные продукты были ионизированы; их отношение массы к заряду определялось на основе времени, необходимого для достижения ими детектора. Одновременно с этим картирование скорости ионов регистрировало траектории и скорости ионов, предоставляя подробную информацию об их энергиях.

В целом команде удалось реконструировать пути реакции и получить важные сведения о пошаговых процессах, ведущих к образованию кислорода из этих двух исходных материалов.

«Это полезное открытие, которое показывает, что столкновение гелия при энергиях, которые мы наблюдаем в солнечном ветре, может генерировать молекулярный кислород при столкновении с углекислым газом. Эффективность процесса, по-видимому, аналогична эффективности столкновения углекислого газа с низкоэнергетическими электронами, что было исследовано несколько лет назад той же исследовательской группой», - отмечают эксперты.

Поскольку жизнь на Земле тесно связана с концентрацией кислорода, ученые долгое время изучали атмосферный кислород как потенциальный маркер обитаемости в других мирах — особенно учитывая, что большая часть кислорода на Земле производится живыми организмами. Однако это исследование показывает, что кислород может также образовываться посредством абиотических процессов или процессов, которые не укоренены в живых организмах. Таким образом, если подобные механизмы действуют на других планетах с богатой CO2 атмосферой, кислород может существовать даже при отсутствии жизни.

Однако это открытие не означает, что астрономы будут делать поспешные выводы или что поиск жизни на экзопланетах будет сорван из-за ложноположительных биосигнатур.

Ученые отмечают, что перекрестная проверка с астрохимическими моделями и экспериментальными наблюдениями усилит выводы. Например, одновременное обнаружение углекислого газа, гелия и кислорода на экзопланете может подтвердить этот путь как значимый механизм для производства молекулярного кислорода.

«Этот новый механизм, вероятно, будет включен в будущие модели, используемые для прогнозирования атмосфер других планет и поможет нам лучше объяснить количество кислорода, которое мы можем там обнаружить», - говорят ученые.