Ученые объяснили, как гигантская луна и паровая атмосфера создали рецепт жизни

Фото из открытых источников

4,5 миллиарда лет назад было интересное время для Земли. Атмосфера была плотной и, как нам сейчас кажется, токсичной. Луна, только что образовавшаяся, выглядит гораздо массивнее, чем сегодня, и слабо светится остаточным теплом от своего собственного образования. А дно было буквально из лавы. Повсюду. 

Но долгое время ученые считали, что эта фаза расплавленного состояния Земли длилась недолго. Однако, согласно новой статье, доступной в виде препринта на arXiv, подготовленной исследователями из Астрономического института им. Каптейна, она могла длиться более полумиллиарда лет.

Почему так долго? Разве магма, составлявшая поверхность Земли, в конце концов не остынет до твердого состояния? В долгосрочной перспективе — да, но этот процесс может быть затянут двумя конкурирующими факторами: приливными силами, вызванными новообразованной Луной, и парниковым эффектом первобытной атмосферы Земли.

Сегодня мы знаем, что Луна вызывает океанские приливы, но когда она только формировалась (и находилась гораздо ближе, чем сейчас), она оказала еще более драматическое воздействие на физическую структуру Земли. Поскольку гравитационные силы зависят от расстояния, эта близко расположенная Луна «разминала» земные недра, как тесто. Это создало «приливное нагревание», которое генерировало огромное количество внутреннего тепла, питая магматические океаны изнутри.

С другой стороны, Земля может излучать это тепло в космос, в конечном итоге охлаждаясь и обретая твердую поверхность. Но не в том случае, если ее способность излучать это тепло блокируется атмосферой. Сама магма выделяла именно такую атмосферу, создавая мощный парниковый эффект, который затмевает все подобные явления, происходящие сегодня.

Для моделирования этой динамики между внутренним нагревом, вызванным Луной, и парниковым эффектом, создаваемым атмосферой, авторы использовали модель эволюции планет под названием PROTEUS. Используя эту модель, они обнаружили, что существовало несколько периодов в этой фазе развития Земли, когда планета находилась в глобальном радиационном равновесии — другими словами, она выделяла тепло в космос почти с той же скоростью, с которой нагревалась приливными силами Луны. В течение этих периодов магма не затвердевала — вместо этого процесс затвердевания Земли просто останавливался. И, согласно статье, эти периоды остановки могли длиться от 2 до 320 миллионов лет.

Такая значительная изменчивость обусловлена одним конкретным аспектом химии Земли — фугитивностью кислорода, другими словами, степенью окисления или восстановления её мантии. Если бы она была окислительной, вода сохранялась бы до самых поздних стадий, когда начали кристаллизоваться магматические океаны. Когда же она наконец выделила бы пар, образовался бы огромный парниковый эффект, из-за чего поверхность оставалась бы расплавленной гораздо дольше, чем при других сценариях.

Если же, с другой стороны, мантия была восстановительной (то есть, в ней преобладали водород и метан), планета бы дегазировала свои парниковые газы раньше, что привело бы к гораздо меньшему парниковому эффекту. В этом случае поверхность могла бы оставаться расплавленной в течение более длительного времени только в том случае, если бы лунные приливы были намного сильнее, чем первоначально предполагалось.

Такой магматический мир — это не просто кошмар для детей, играющих в «Пол — это лава», — он также звучит довольно ужасно с точки зрения зарождения самой жизни. Однако, согласно статье, такая длительная фаза магматического океана могла быть именно тем, что нужно было жизни для зарождения в дальнейшем. Условия во время этой длительной фазы магматического океана, особенно в отношении фугитивности кислорода на поверхности вблизи буфера железо-вюстит, привели к соотношению метана и углекислого газа в атмосфере около 0,1. Это число может показаться очень точным, но оно является ключом к фотохимическому образованию цианистого водорода.

В наши дни это химическое вещество смертельно опасно для большинства форм жизни. Но когда жизнь только зарождалась, астробиологи считали его важнейшей молекулой-предшественником для создания РНК и белков — другими словами, буквальными строительными блоками жизни. Таким образом, фаза магматического океана Земли, поддерживаемая нашей гораздо более близкой Луной, могла дать Земле время, необходимое для накопления избытка пребиотических химических веществ, которые позже в истории планеты привели к зарождению жизни.

Мы не можем утверждать это наверняка, но это интригующая гипотеза, и она подкреплена некоторыми логическими химическими данными. Остаётся выяснить, является ли сама Земля исключением с точки зрения её ранних условий (большой, расположенный близко спутник, выделяющий лаву). Но чем лучше мы понимаем условия на ранней Земле, которые в конечном итоге привели к возникновению жизни, тем больше вероятность того, что мы сможем её распознать, когда наконец обнаружим где-нибудь ещё в галактике.