8 Minutės
Įsivaizduokite ankstyvąją Žemę kaip chaotišką virtuvę: ištirpusi uoliena virė milijonus metų, sunkesni metalai grimzdo žemyn, o dujos išsiskirdavo į kosmosą. Net ir menkas pokytis recepte turėjo lemiamą reikšmę. Šiek tiek daugiau deguonies arba šiek tiek mažiau — ir gyvybei reikalingi ingredientai galėjo būti išmaišyti ar prarasti dar iki pirmosios ląstelės susiformavimo.
Fosforas ir azotas užima aukštas vietas gyvenimo cheminėje kortelėje. Fosforas yra pagrindinis DNR ir RNR statinys ir svarbus ląstelių energijos mainams; azotas — aminorūgščių ir baltymų karkasas. Tačiau planetos formavimosi metu šie elementai nelaukia mandagiai ant paviršiaus. Jie migruoja tarp pluto, mantijos ir atmosferos, o šio „perkėlimo“ dirigentas yra deguonis.
Nauji ETH Ciuricho mokslininkų, kuriuos vadovauja Craig Walton ir Maria Schönbächler, modeliai rodo, kad Žemės pasiruošimas palaikyti gyvybę priklausė nuo itin siauro deguonies sąlygų intervalo branduolio formavimosi metu. Jei aplinka buvo per daug redukuojanti, fosforas jungėsi su geležimi ir grimzdavo į branduolį, praktiškai pašalindamas jį iš medžiagos, galinčios vėliau formuoti gyvybinius cheminius procesus. Jei aplinka buvo per daug oksiduojanti, azotas linkdavo pasišalinti arba susikaupdavo formose, kurios palikdavo paviršių skurdžiu. Tarp šių ribų — cheminių „auksiukų paieškos“ zona — abu elementai išliko pasiekiami mantijoje, iš kurios vėlesnės geologinės veiklos gali juos perkelti į plutą ir paviršiaus aplinkas.
Tai nėra vien akademinis klausimas apie tai, kur elementai galiausiai atsiduria. Tai keičia mūsų požiūrį į gyvenamumo vertinimą. Astronomai ilgai prioritizavo skysto vandens buvimą ir tinkamą orbitinį atstumą nuo žvaigždės. Tačiau tai tik paviršinės sąlygos, kurios yra giluminės cheminės istorijos pasekmė. Planetą, kuri iš tolimų šviesmečių atrodo tinkama gyvybei, gali būti be gyvybės, jei jos formavimosi procesai anksčiau atėmė fosforą ar azotą dar prieš susiformuojant stabilioms atmosferoms ar okeanams.
Walton ir kolegų komanda atliko išsamius kompiuterinius branduolio–mantijos diferenciacijos modeliavimus, kintant deguonies fugacity (deguonies prieinamumui efektyviai apibūdinti vartojamam techniniam terminui). Deguonies fugacity kontroliuoja, ar elementai linksta į metalines ar silikatines fazes — kitaip tariant, ar tam tikri elementai lieka mantijoje ar įsigeria į branduolį. Rezultatai yra akivaizdūs: intervalas deguonies sąlygų, kuriame tiek fosforas, tiek azotas išlieka silikatinėje mantijoje, yra netikėtinai siauras. Pagal studiją, ankstyvoji Žemė pateko į tą siaurą juostą maždaug prieš 4,6 milijardo metų; maži nukrypimai būtų lėmę visiškai kitokį cheminį pasirengimą gyvybei.
.avif)
O kaip yra su mūsų kaimynais? Modeliai rodo, kad Marsas, pavyzdžiui, galėjo formuotis sąlygose, kurios iš esmės buvo už tos siauros juostos ribų. Kai kuriais scenarijais jo mantija gali išlaikyti daugiau fosforo nei Žemės, tačiau reikšmingai mažiau azoto. Toks disbalansas gali paaiškinti, kodėl Marsas, nepaisant ankstyvų požymių apie skystą vandenį, nesukūrė — arba negalėjo išlaikyti — tokios pat įvairios paviršinės cheminės aplinkos, kuri paskatino ir palaikė gyvybę Žemėje. Be to, skirtingos pradinės redokso sąlygos gali paveikti ir kitus biogeninius elementus ar jų junginius, įskaitant sierą, anglies formų prieinamumą ir volatilių pernašą į vėlesnes planetines atmosferas.
Šie pastebėjimai pakeičia gyvenamumo paieškos strategiją: jos neapsiriboja vien vandens paieška. Jei planetos bendroji sudėtis ir jos formavimosi aplinkos deguonies fugacity linkusios priversti prarasti esminius biogeninius elementus, tada gyvenamumas tampa tiek žvaigždės ir protoplanetinio disko chemijos klausimu, kiek ir paviršiaus temperatūros problema. Kadangi planetos paprastai paveldi medžiagas iš protoplanetinio disko, susidariusio kartu su centrinės žvaigždės cheminiais elementais, astronomai gali pradėti tikslinti tikslinius taikinius tyrimams, analizuodami žvaigždžių elementines gausas, pvz., deguonies ir geležies santykį. Tokia analizė padeda identifikuoti sistemas, kuriose didesnė tikimybė, kad planetos išlaikys gyvenimui reikalingus elementus.
Kiek tai praktiška? Iš principo gana praktiška. Dideli teleskopai ir modernūs spektrografai jau gali tiksliai matuoti žvaigždžių chemines sudėtis bei elementų gausas. Jei žvaigždės spektras rodo, kad jos cheminė sudėtis nepalanki planetoms, kurių branduolio formavimo metu galėtų susidaryti tinkamas deguonies balansas, tokias sistemas galima mažinti prioritetų sąraše dėl mažesnės tikimybės rasti biochemiškai turtingas planetas. Tai siaurina paieškas moksliškai pagrįstu būdu: ne visos umidžiuotos ar temperatūriškai tinkamos planetos turi vienodą potencialą palaikyti gyvybę.
Be to, verta pabrėžti, kad deguonies fugacity dažnai išreiškiama logaritminėmis skalėmis ar per redokso tamponus, tokius kaip geležies–vustito (IW) buferis, kuris geochemijoje naudojamas palyginti redokso sąlygas laboratoriniuose ir natūraliuose pavyzdžiuose. Modeliuojant metalų ir silikatų dalijimąsi (metal–silicate partitioning), tyrėjai naudoja tokius parametrus, kad apibrėžtų, kaip tiksliai fosforas ar azotas linksta į tam tikras fazes įvairiose temperatūrose ir slėgiuose. Eksperimentiniai duomenys iš petrologijos laboratorijų, atliekant skysčių ir kietų fazių bandymus esant įvairioms deguonies fugacity vertėms, yra svarbūs šių modelių patikrinimui ir parametrų suvaržymui.
Visgi yra ir įspėjimų. Planetos formavimosi procesai yra netvarkingi ir daugialypiai. Milžiniški susidūrimai (pvz., hipotetinis Didžiojo susidūrimo padarinys, kuris, kaip manoma, susijęs su Mėnulio susidarymu), vėlyvasis volatilių pristatymas kometų ir asteroidų pavidalu (vadinamasis vėlyvasis papildymas), taip pat vėlesnė atmosferos evoliucija, viskas prisideda prie sudėtingos galutinės planetos cheminės pusiausvyros. Tačiau ETH Ciuricho komandos darbas akcentuoja fundamentinį ankstyvą filtrą, kuris iš esmės nustato pagrindines sąlygas viskam, kas ateina vėliau. Tai skatina skubiai derinti geocheminį modeliavimą su egzoplanetų stebėjimais: gyvenamumo vertinimai turėtų apjungti paviršiaus diagnostiką su išvadomis apie giluminę planetos chemiją.
Ekspertų įžvalgos
„Šis tyrimas primena, kad gyvenamumas yra pasakojimas, parašytas iš vidaus į išorę,“ sako dr. Lila Moreno, planetų geocheminė mokslininkė Space Science Laboratory (komentaras pateiktas kontekstui). Ji patikslina, kad dažnai galvojame apie vandenynus ir klimatus, tačiau fosforo ir azoto pristatymas bei išlaikymas priklauso nuo procesų, kurie vyko planetos ugningoje vaikystėje. Žvaigždės cheminio piršto atspaudo stebėjimai gali suteikti daug informacijos apie tą užslėptą skyrių: žvaigždės sudėtis nulemia, iš kokių medžiagų susiformuoja protoplanetinis diskas, o tai savo ruožtu lemia, kokios cheminės galimybės atsiveria formuojančioms planetoms.“
Moreno priduria: „Tai kvietimas peržiūrėti tikslinių sistemų sąrašus būsimoms misijoms. Teleskopai, galintys derinti atmosferinius spektrus su apribojimais apie žvaigždžių ir disko cheminių elementų gausas, padės mums prioritetizuoti planetas, kurios ne tik drėgnos ir temperaturos prasme tinkamos, bet ir chemiškai pasirengusios gyvybei.“ Tokia integruota strategija įtraukia astronomiją ir geochemiją kartu, skatindama tarpdisciplininius projektus, kuriuose dalyvauja spektroskopijos ekspertai, modeliuotojai ir laboratorinės petrologijos tyrėjai.
Be tikslų atrankos, pasekmės liečia eksperimentinį darbą laboratorijose ir misijų planavimą. Laboratoriniai eksperimentai, kurie atkuria metalų–silikatų dalijimąsi esant įvairioms deguonies fugacity reikšmėms, gali susiaurinti modelių neapibrėžtumus ir suteikti tikslesnius parametrus. Tuo tarpu artėjančios kosminės misijos ir naujos kartos observatorijos, kurios charakterizuos egzoplanetų atmosferas ir išmatuos žvaigždžių sudėtis daugelyje sistemų, suteiks reikalingus duomenis idėjoms patikrinti kosmologiniu mastu. Tokie duomenys leis susieti matomas atmosferos savybes su tikėtina gilumine planetos chemija.
Filosofiškai šis tyrimas vėl grąžina mus prie atsitiktinumo ir sąlygumo idėjos. Gyvenamumas nėra garantuotas vien dėl planetos padėties. Jis kyla iš sudėtingo žvaigždės chemijos, planetos diferenciacijos mechanizmų ir vėlesnės paviršinės bei atmosferinės evoliucijos sąveikos. Cheminė „auksiukų paieškos“ zona fosforui ir azotui yra dar vienas filtras, paaiškinantis, kodėl Žemė atrodo tokia ypatingai palanki gyvybei. Tai pabrėžia, kad net ir panašaus dydžio ar orbitoje esančios planetos gali turėti labai skirtingą biologinį potencialą dėl ankstyvųjų redokso sąlygų skirtumų.
Mąstymas tokiu būdu keičia prioritetus: jis skatina holistinį požiūrį, kuris jungia teleskopinius stebėjimus su geocheminiu modeliavimu ir eksperimentine petrologija. Visata gali būti pilna pasaulių su vandenynais; žymiai mažiau jų gali turėti tą giluminės laiko cheminę pusiausvyrą, kuri padarė mūsų planetą biologiškai derliaus. Rasti tuos retus atvejus reikalaus pažvelgti žemiau paviršiaus — į chemiją, kuri juos formavo nuo pat pradžių.“
Todėl, kai klausome, ar tolimoji planeta galėtų talpinti gyvybę, atsakymas gali prasidėti ne nuo kranto linijos, o nuo jos formavimosi šerdies: siauro deguonies istorijos juostos, kuri nusprendė, ar du maži elementai — fosforas ir azotas — išliks prieinami biologijai. Supratimas apie deguonies fugacity, metalų–silikatų sąveikas, žvaigždžių elementines gausas ir vėlyvąsias vandenilines bei anglies grupių pristatymų galimybes suteikia tvirtą pagrindą racionalioms egzoplanetų gyvenamumo paieškoms. Integruojant astronominius stebėjimus su geocheminiais modeliais ir laboratoriniais bandymais, galime geriau nustatyti, kurios planetos ne tik atrodo tinkamos iš tolo, bet iš tikrųjų turi cheminį potencialą palaikyti gyvenimą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą