SA: теории о происхождении необходимых для жизни элементов опровергаются

Фото из открытых источников

Вопрос о том, как зародилась жизнь на Земле или как простые организмы возникли из химических соединений, остается в некоторой степени загадкой. Хотя ученые подтвердили на основе ископаемых свидетельств и геологической летописи, что жизнь зародилась примерно 4 миллиарда лет назад на морском дне (вокруг 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 на Землю воду с поверхности.

Согласно этой теории, планетезималы доставили эти элементы во внутреннюю часть Солнечной системы во время поздней интенсивной бомбардировки, которая, как считается, произошла от 4,1 до 3,8 миллиардов лет назад. Однако новое исследование, поддержанное НАСА, предоставляет новую информацию о том, как первобытная Земля получила необходимые для жизни элементы. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, указывают на то, что Юпитер, вероятно, сыграл ключевую роль в этом процессе.

Исследовательская группа состоит из сотрудников кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах Университета Райса. Как они отмечают, время поступления легких электронно-эмиссионных частиц на Землю остается предметом дискуссий, как и геохимия участвующих в этом планетезималов. Традиционные модели связывают это с хондритами внешней Солнечной системы — каменными метеоритами, образовавшимися через два-четыре миллиона лет после образования первых твердых тел в Солнечной системе. Однако, как отметила группа, этот возраст аккреции исключает их как самый ранний источник легких электронно-эмиссионных частиц.

Если упростить, то вся жизнь на Земле требует одних и тех же основных элементов, известных под аббревиатурой 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 сверхновыми в конце своего короткого жизненного цикла (десятки миллионов лет). Эти и другие тяжелые элементы (включая кремний, железо и различные металлы) затем объединились, образовав последующие поколения звезд и планет.

Примерно 4,6 миллиарда лет назад Солнце образовалось из скопления этого газа и пыли (туманности), в центре которой произошёл гравитационный коллапс. Оставшийся материал образовал диск вокруг новой звезды, постепенно аккрецируя и формируя солнечные планеты и планетезималы. Оставшийся материал в виде астероидов и комет осел на разных орбитах, большая часть — в главном поясе астероидов и поясе Койпера. Другие же упали на орбиты планет — например, околоземные астероиды (ОЭА) или троянские и греческие планеты Юпитера.

Со временем многие из этих объектов пересекали орбиту Земли, падали на поверхность и были обнаружены в виде метеоритов. Изучение этих объектов открывает окно в раннюю Солнечную систему, гораздо более хаотичное время, когда Земля еще формировалась. Метеориты делятся на две категории, обе из которых произошли от планетезималов, образовавшихся в разное время в нашей системе. К ним относятся плотные металлические объекты (железные метеориты) и каменные хондриты, последние составляют большинство обнаруженных на Земле.

Самые древние планетезималы являются источником железных метеоритов, в то время как хондриты относятся ко второму поколению, сформировавшемуся 2-3 миллиона лет спустя. Хотя некоторые данные указывают на то, что хондриты из внешней Солнечной системы доставили ингредиенты для жизни на поздних стадиях формирования Земли, ученые продолжают спорить о том, какой именно тип метеоритов доставил на Землю запасы ЛЕГЭ (легких эмиссионных элементов). Новое исследование предполагает, что события могли развиваться иначе, чем предполагают традиционные модели.

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

Команда исследователей предположила, что в первом поколении планетезималов поток вещества наружу увеличил отношение фосфора к азоту во внешней части Солнечной системы. Ситуация изменилась с приходом Юпитера, чье гравитационное влияние ограничило перемещение фосфора и азота из внутренней части Солнечной системы во внешнюю. Это означало, что когда появилось второе поколение планетезималов, у тех, которые вращались внутри внутренней части Солнечной системы, отношение фосфора к азоту оказалось выше, чем у их аналогов, вращающихся дальше от Солнца.

Эти результаты показывают, что, вопреки предыдущим моделям, Земля получала фосфор и азот (оба необходимы для жизни) преимущественно из внутренней части Солнечной системы, без дополнительного вклада из внешней части. Их выводы подтверждаются геохимическими моделями аккреции, показывающими, что современное соотношение фосфора и азота на Земле лучше всего воспроизводится планетезималами внутренней части Солнечной системы, независимо от того, связаны ли они с железными или хондритовыми метеоритами. 

«В нашей Солнечной системе присутствие Юпитера и история его развития, по-видимому, сыграли решающую роль в определении распределения основных химических компонентов, необходимых для обитаемых миров. Остается открытым вопрос, можно ли установить баланс жизненно важных элементов, подобный земному, без планеты, подобной Юпитеру, в популяции», - сказал соавтор исследования Радждип Дасгупта из Университета Райса.

«Исследование предполагает, что Земля получила свои запасы жизненно важных элементов — фосфора и азота — в основном из внутренней части Солнечной системы, без значительного вклада хондритов внешней Солнечной системы», — резюмировали ученые.

Что касается других жизненно важных элементов, то способы их доставки на Землю миллиарды лет назад еще предстоит выяснить, и это станет предметом будущих исследований.