Метеориты несут в себе кислородный след, сформировавшийся еще до астероидов

Фото из открытых источников

Вкрапления органических веществ в примитивных метеоритах несут в себе кислородный след, сформировавшийся еще до образования астероидов, вероятно, в холодной внешней части Солнечной системы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Часть углерода на ранней Земле, возможно, попала туда в составе метеоритов в виде темных частиц органического вещества, слишком мелких, чтобы их можно было увидеть. Место образования этих частиц до сих пор остается открытым вопросом. Новое исследование предполагает, что содержание кислорода в них относится к периоду до формирования астероидов, которые их принесли.

В семи примитивных метеоритах, которые никогда не подвергались сильному нагреву, органическое вещество имеет практически одинаковый кислородный профиль. Вода на астероидах практически не изменила их состав. Поэтому содержание кислорода является показателем места образования материала, а не того, что с ним произошло позже.

Место образования органических веществ — такова интерпретация команды, основанная на анализе небольшого количества метеоритов и двух лабораторных исследованиях.

Работу возглавили Дэниел Крокер и Дэвид Джонстон из Гарвардского факультета наук о Земле и планетах. Их соавторами были Конел Александер из Института науки Карнеги и Марк Тименс из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Атомы кислорода существуют в трех стабильных формах: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Они различаются только по весу. Ученые называют эти формы изотопами, и соотношение этих трех изотопов в образце подобно отпечатку пальца. На Земле почти любой процесс, в котором кислород сортируется по весу, изменяет долю кислорода-17 примерно вдвое меньше, чем долю кислорода-18.

Самые древние минералы в некоторых богатых углеродом метеоритах нарушают это правило. В них две более тяжелые формы изменяются в равной степени. Этот странный узор обычно объясняется сочетанием двух древних источников кислорода: одного, богатого кислородом-16, и другого, бедного им. Исследователи провели для него контрольную линию в 1977 году, используя минералы из метеорита Альенде, но причина его образования до сих пор остается предметом дискуссий.

Семь метеоритов имеют один и тот же кислородный профиль.

Метеориты, исследованные в данной работе, относятся к группе углеродистых хондритов. В самых примитивных из них органическое вещество содержит до 4% углерода по весу. От 30 до 80% этого органического вещества не растворяется в кислотах или растворителях.

В лаборатории Александра этот материал отделили от породы. Затем Крокер измерил содержание кислорода в нем с помощью метода, недавно разработанного группой исследователей из Гарварда.

Вода изменила структуру семи примитивных метеоритов на их родных астероидах, температура которых всегда была ниже 150°C. Их органическое вещество оказалось практически идентичным. Показатели содержания кислорода-18 различались всего примерно на 2 промилле, и каждый образец находился в пределах погрешности эталонной линии.

«Меня удивило, насколько похожими оказались изотопные составы кислорода в метеоритах, которые претерпели совершенно разные изменения после своего образования», — сказал Крокер.

На этих астероидах когда-то была жидкая вода, а вода способна обмениваться атомами кислорода с окружающим веществом. Команда подсчитала, что произойдет, если органическое вещество поделится значительной частью своего кислорода с водой. Показатель содержания кислорода-18 будет на 27–58 частей на тысячу выше стандартного значения.

Фактические показания составили от 10 до 12. Таким образом, органическое вещество, скорее всего, обменивалось с водой очень небольшим количеством кислорода. Если бы это было так, то для получения одинаковых значений образцы с нескольких разных астероидов потребовали бы практически идентичных условий.

Вода по-прежнему изменяла химический состав вещества, и некоторые кислородсодержащие части молекул были утрачены. Но при этом соотношение масс атомов кислорода в основном оставалось неизменным.

«Такая сохранность дает нам возможность не ограничиваться изучением того, что произошло с органическим веществом на астероидах, а исследовать среду, в которой оно первоначально образовалось», — сказал Крокер.

Органическое вещество из шести метеоритов, нагретых на астероидах или в результате ударов, выглядело по-разному. В нем было меньше обеих тяжелых форм кислорода, и показания демонстрировали тенденцию к отклонению от группы ненагретых образцов.

Чтобы проверить, может ли это произойти только за счет тепла, команда нагревала органическое вещество из метеорита Мигей в вакууме в течение часа. В одном эксперименте температура достигла 500°C, а в другом —600°C.

Образцы потеряли примерно 59 и 67 процентов кислорода соответственно, а оставшийся кислород сместился в том же направлении, что и нагретые метеориты. Если прекратить нагрев, они вернутся к примитивной группе, которая соответствует одному общему исходному признаку.

Вода не оставила отпечаток пальца, а тепло меняет его в другом направлении. Поэтому авторы пришли к выводу, что кислород, скорее всего, попал внутрь на этапе образования самого органического вещества, до того, как оно было собрано в какой-либо астероид.

Органическое вещество содержит меньше кислорода-16, чем почти все минералы в этих метеоритах. В ранней Солнечной системе основным компонентом с низким содержанием кислорода-16 была вода. Поэтому авторы считают, что органические вещества получали кислород из древней воды в процессе своего образования.

Наличие сверхтяжелого водорода и азота в органических соединениях уже указывало на холодное место с сильным излучением. Команда склоняется к версии о месте зарождения во внешней части Солнечной системы, где такое же хорошо перемешанное вещество в конечном итоге оказалось в нескольких астероидах.

«Вместо того чтобы начинать с химических процессов, происходивших на ранней Земле, мы можем задаться вопросом, какие органические материалы Земля и другие молодые планеты унаследовали от среды Солнечной системы, в которой они образовались», — заявили Крокер и Джонстон.

Исследователи заявили, что «пока не могут идентифицировать конкретное место или кислородсодержащую молекулу как источник загрязнения». Они также проверили наличие лабораторных эффектов, таких как попадание посторонних минеральных зерен и химические вещества, используемые для удаления органических веществ. Они пришли к выводу, что ни один из этих факторов не повлиял на показания каким-либо существенным образом.

Необычный узор в древних минералах, впервые обнаруженный более 50 лет назад, до сих пор не имеет полного объяснения. «Это не разгадывает тайну, но дает новое ограничение», — добавили исследователи.

Далее, команда рассматривает кислород как способ сузить круг поиска места образования материала и условий, при которых он образовался. Это может показать, насколько широко были распространены исходные компоненты для химической реакции жизни на молодых планетах.