Земля образовалась в «зоне Златовласки» с высоким содержанием кислорода

Фото из открытых источников

Земля образовалась в условиях настолько точно заданного «оптимального уровня содержания кислорода», что изменение на 5% предотвратило бы возникновение жизни. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Исследователи обнаружили, что Земля сформировалась в необычно узком диапазоне кислородных условий, которые обеспечивали наличие фосфора и азота для жизни. Это ограничение переосмысливает обитаемость как химический результат формирования планеты, а не как простой вопрос наличия воды или местоположения.

В океане расплавленных пород молодой Земли железо опускалось на дно, более легкие породы оставались на поверхности, а ключевые компоненты жизни распадались.

На основании этих данных Крейг Уолтон из ETH Zurich показал, что узкий баланс кислорода удерживал оба элемента над ядром.

По всей видимости, это равновесие сохранялось около 4,6 миллиарда лет назад, когда Земля еще только отделяла металл от породы. Если немного изменить химические процессы в ту или иную сторону, один элемент окажется недоступен еще до того, как жизнь успеет что-либо изменить.

Фосфор важен, потому что клетки используют его для построения ДНК и РНК, а также для переноса энергии от одной реакции к другой. Азот имеет такое же важное значение, потому что он необходим белкам, а эти белки обеспечивают клеткам структуру и помогают протекать реакциям.

Когда любой из этих элементов становится дефицитным, пребиотическая химия — реакции, которые могут создавать исходные компоненты жизни, — сталкивается с первоначальным препятствием. Вот почему планета может находиться на орбите, благоприятной для жизни с точки зрения наличия воды, и при этом не иметь основных химических запасов, необходимых для жизни.

В процессе формирования ядра магнитного поля слишком мало кислорода приводило к превращению фосфора в металл, в то время как слишком много кислорода выталкивало азот к выходу наружу. Исследователи описывают это равновесие с помощью фугитивности кислорода — показателя того, насколько сильно кислород может реагировать в формирующейся планете.

В данной модели сильно восстановительные миры удерживали фосфор внизу, в то время как сильно окислительные миры позволяли азоту легче выходить наружу. Земля оказалась между этими двумя катастрофами, из-за чего её химическое происхождение выглядит менее обычным, чем предполагает её размер.

По всей видимости, Марс сформировался за пределами этого среднего диапазона, сохранив в мантии больше фосфора, но меньше азота, чем Земля. Эта смесь не исключала всех химических процессов, но создавала более жесткую отправную точку для жизни, подобной земной.

Сравнение показывает, что расположенные поблизости каменистые планеты могут выглядеть похожими, но при этом скрывать совершенно разные балансы питательных веществ. В контексте оценки пригодности планеты для жизни все меньше внимания уделяется простому контрольному списку и все больше – тому, как был создан тот или иной мир.

На протяжении десятилетий многие попытки обнаружения живых организмов начинались с жидкой воды, поскольку вода способствует химическим реакциям и поддержанию стабильной температуры. Команда Уолтона утверждает, что одна только вода может ввести в заблуждение, поскольку даже на влажной планете могут отсутствовать необходимые для жизни питательные вещества.

Мир, не прошедший этот химический тест, может никогда не обеспечить биосферу продовольствием, даже если впоследствии появятся реки, облака и океаны. Эта идея расширяет область поиска от поверхностных условий до гораздо более древней истории, запечатленной внутри планеты.

В настоящее время астрономы отслеживают более 6000 подтвержденных экзопланет, однако большинство из них остаются слишком удаленными для прямых проверок глубинных химических процессов. Поскольку планеты образуются из того же материала, что и их звезды, химический состав звезд может указывать на наличие кислорода на планете.

«Это делает поиски жизни на других планетах гораздо более целенаправленными. Нам следует искать солнечные системы со звездами, похожими на наше Солнце», — сказал Уолтон.

Этот совет не гарантирует выживания, но он дает телескопическим исследованиям более точную отправную точку.

Запасы фосфора и азота на Земле выглядят довольно типичными для других звездных систем, однако ее химический состав отличается от этого.

«Наши модели ясно показывают, что Земля находится именно в этом диапазоне. Если бы во время формирования ядра было чуть больше или чуть меньше кислорода, фосфора или азота было бы недостаточно для развития жизни», — сказал Уолтон.

Что кажется необычным, так это специфическая особенность: не более богатый набор питательных веществ, а более высокая вероятность сохранения их доступности. Это превращает редкость из орбитальной проблемы в химическую, и значительно снижает шансы на легкий успех.

Авторы не утверждали, что эта единственная модель решает все проблемы, поскольку азот может перемещаться или улетучиваться даже после образования ядра. Азотный баланс Земли остается неопределенным, и более ранние исследования показывают, что аккреция и поздние столкновения также повлияли на то, где в итоге оказался этот элемент. 

В ледяных местах могут действовать и другие правила: сегодня в океаническом шлейфе спутника Сатурна Энцелада обнаружены фосфаты. Эти исключения важны, потому что правило, действующее для каменистых планет, подобных Земле, не является автоматически правилом для всех планет с влажным климатом.

Даже незначительное снижение содержания фосфора или азота может ограничить количество жизни на планете и объем выделяемых ею газов. Это влияет на биосигнатуры — химические признаки жизни, — поскольку более слабые биосферы производят более слабые атмосферные сигналы.

В будущих миссиях потребуются более точные оценки химического состава звезд и строения планет, прежде чем можно будет с уверенностью судить об атмосфере далеких объектов. Даже в перспективном мире может отсутствовать достаточное количество основных питательных веществ, и телескопам придётся научиться различать эти элементы.

Земля не просто оказалась на правильной орбите; она сформировалась в результате химического баланса, который поддерживал существование двух элементов, от которых зависит жизнь. Этот результат направляет поиск как внутрь, так и вовне, к скрытой химии планет, которые лишь кажутся привлекательными.