До появи життя на Землі була необхідна суттєва хімія, щоб створити органічні молекули з елементарних будівельних блоків азоту, сірки, вуглецю та фосфору. Щоб відповідні хімічні реакції почалися та підтримувалися, ці елементи повинні були бути присутніми у великій кількості та постійно поповнюватися. Однак на самій Землі цих елементів було і залишається дефіцитом.
Насправді елементарні будівельні блоки життя були настільки рідкісними, що хімічні реакції швидко вичерпалися б, якби вони взагалі коли-небудь запрацювали. Такі геологічні процеси, як ерозія та вивітрювання гірських порід, що становлять Землю, також не змогли забезпечити достатній запас, оскільки земна кора просто містила занадто мало цих елементів. З усім тим, у перші 500 мільйонів років історії Землі розвинулася пребіотична хімія, яка виробляла органічні молекули, такі як РНК, ДНК, жирні кислоти та білки, на яких засноване все життя.
Інгредієнти з космосу?
Звідки взялися необхідні кількості сірки, фосфору, азоту та вуглецю? Геолог і співробітник Nomis Крейг Волтон переконаний, що ці елементи прийшли на Землю в основному як космічний пил.
Цей пил утворюється в космосі, наприклад, коли астероїди стикаються один з одним. Навіть сьогодні приблизно 30 000 тонн пилу падає на Землю з космосу щороку. Однак у перші дні існування Землі пил випадав у набагато більших обсягах, досягаючи мільйонів тонн на рік. Але перш за все частинки пилу містять багато азоту, вуглецю, сірки та фосфору. Тому вони мали б потенціал запустити хімічний каскад.
Однак той факт, що пил широко поширюється і його можна знайти лише в дуже невеликих кількостях в одному місці, говорить проти цього. «Але якщо включити транспортні процеси, все виглядає по-іншому», — каже Волтон. Вітер, дощ або річки збирають космічний пил на великій території та осідають його в концентрованому вигляді в певних місцях.
Нова модель для уточнення питання
Щоб з’ясувати, чи може космічний пил бути джерелом, яке запустило пребіотичну хімію (реакції), Уолтон разом із колегами з Кембриджського університету розробив модель. Використовуючи модель, дослідники змоделювали, скільки космічного пилу впало на Землю за перші 500 мільйонів років історії нашої планети і де він міг накопичуватися на поверхні Землі. Їх дослідження опубліковано в науковому журналі Nature Astronomy.
Модель була розроблена у співпраці з експертами з седиментації та астрофізиками з Кембриджського університету. Британські дослідники спеціалізуються на моделюванні планетних і астероїдних систем.
Їхнє моделювання показує, що на ранній Землі могли бути місця з надзвичайно високою концентрацією космічного пилу. І що запаси постійно поповнювалися з космосу. Однак після утворення Землі кількість пилових дощів швидко і різко зменшилася: через 500 мільйонів років потік пилу був на порядок меншим, ніж у нульовий рік. Дослідники пояснюють випадкові підйоми вгору астероїдами, які розпалися на частини і направили хвіст пилу на Землю.
Розтопити отвори на крижаних щитах як пиловловлювачі
Більшість вчених, але також і непрофесіонали, припускають, що Земля була вкрита океаном магми протягом мільйонів років; це б надовго запобігло транспортуванню та осіданню космічного пилу. «Однак останні дослідження виявили докази того, що поверхня Землі дуже швидко охолола й затверділа й утворилися великі крижані покриви», — каже Уолтон.
Згідно з моделюванням, ці крижані покриви могли бути найкращим середовищем для накопичення космічного пилу. Отвори від танення на поверхні льодовика, відомі як кріоконітові отвори, дозволяли б накопичуватися не лише відкладенням, але й частинкам пилу з космосу.
З часом відповідні елементи звільнялися від частинок пилу. Як тільки їх концентрація в льодовиковій воді досягла критичного порогового значення, почалися самі по собі хімічні реакції, що призвели до утворення органічних молекул, які є джерелом життя.
Цілком можливо, що хімічні процеси відбувалися навіть при крижаних температурах, які панують у плавних отворах: «Холод не порушує органічну хімію – навпаки: реакції більш вибіркові та специфічні при низьких температурах, ніж при високих», Уолтон. каже. Інші дослідники показали в лабораторії, що прості кільцеподібні рибонуклеїнові кислоти (РНК) спонтанно утворюються в таких супах із талої води при температурі близько нуля, а потім відтворюються. Слабким місцем аргументу може бути те, що за низьких температур елементи, необхідні для створення органічних молекул, дуже повільно розчиняються з частинок пилу.
Початок дискусії про походження життя
Теорія, яку висунув Волтон, не викликає суперечок у науковому співтоваристві. «Це дослідження, безсумнівно, спровокує суперечливу наукову дискусію, — каже Уолтон, — але воно також породить нові ідеї про походження життя».
Ще в XVIII і XIX століттях вчені були впевнені, що метеорити принесли на Землю «елементи життя», як їх називає Волтон. Уже тоді дослідники виявили велику кількість цих елементів у гірських породах з космосу, але не в основі Землі. «Однак з того часу навряд чи хтось замислювався над ідеєю, що хімію пребіотиків запустили в основному метеорити», — каже Волтон.
«Ідея про метеорит звучить переконливо, але тут є підступ», — пояснює Волтон. Один метеорит постачає ці речовини лише в обмежене середовище; місце, де він падає на землю, є випадковим, і подальші постачання не гарантуються. «Я думаю, малоймовірно, що походження життя залежить від кількох безладно розкиданих уламків каміння», — каже він. «Натомість збагачений космічний пил, я думаю, є вірогідним джерелом».
Наступним кроком Волтона стане експериментальна перевірка його теорії. У лабораторії він використовуватиме великі реакційні судини, щоб відтворити умови, які могли переважати в первісних отворах розплаву, потім встановить початкові умови на ті, які, ймовірно, існували в отворі кріоконіту чотири мільярди років тому, і, нарешті, дочекається, щоб побачити чи справді відбуваються будь-які хімічні реакції, які виробляють біологічно значущі молекули.