Кредит зображення: NASA
Крістофер Чиба - головний слідчий для керівної команди інституту SETI Інституту астробіології НАСА. Чиба раніше очолював Центр Інституту SETI з вивчення життя у Всесвіті. Його команда NAI проводить широкий спектр науково-дослідних заходів, дивлячись як на початок життя на Землі, так і на можливість життя в інших світах. Керуючий редактор журналу Astrobiology, Генрі Бортман, нещодавно поговорив з Чібою про декілька проектів своєї команди, які вивчать походження та значення кисню в атмосфері Землі.
Журнал з астробіології: Багато проектів, над якими працюватимуть члени вашої команди, пов'язані з киснем в атмосфері Землі. Сьогодні кисень є важливою складовою повітря, яким ми дихаємо. Але на ранній Землі було дуже мало кисню в атмосфері. Існує велика кількість дискусій про те, як і коли атмосфера планети стала кисневою. Чи можете ви пояснити, як дослідження вашої команди підійдуть до цього питання?
Крістофер Чиба: Звичайна історія, з якою ви, напевно, знайомі, полягає в тому, що після еволюції фотосинтезу кисню на ранній Землі тоді було величезне біологічне джерело кисню. Це звичайний погляд. Це може бути правильно, і зазвичай у таких аргументах справа не в тому, чи є один ефект правильним чи ні. Ймовірно, багато ефектів були активними. Це питання про те, який був домінуючий ефект чи кілька ефектів порівнянної важливості.
У дослідника інституту SETI Фрідмана Фрейнда є абсолютно небіологічна гіпотеза про підвищення кисню, яка має деяку експериментальну підтримку лабораторних робіт, які він робив. Гіпотеза полягає в тому, що, коли гірські породи твердають від магми, вони містять невелику кількість води. Охолодження та подальші реакції призводять до отримання пероксильних зв'язків (що складаються з атомів кисню та кремнію) та молекулярного водню в гірських породах.
Потім, коли магматична порода згодом вивітрюється, пероксильні ланки утворюють перекис водню, який розпадається на воду та кисень. Отже, якщо це правильно, просто вивітрювання магматичних порід стане джерелом вільного кисню в атмосферу. І якщо подивитися на деякі кількості кисню, які Фрідманн здатний вивільнити із гірських порід у добре контрольованих ситуаціях у своїх початкових експериментах, можливо, це було суттєвим і значним джерелом кисню на ранній Землі.
Тож, крім фотосинтезу, у будь-якому світі, подібному до Землі, може бути своєрідне природне джерело кисню, яке мало магматичну активність та рідку воду. Це дозволяє припустити, що окислення поверхні може бути чимось, що ви очікуєте, що відбудеться, будь то фотосинтез відбувається рано чи пізно. (Звичайно, терміни цього залежать і від поглинання кисню.) Я підкреслюю, що в цьому пункті все є гіпотезою для набагато більш ретельного дослідження. Фрідман поки що робив лише пілотні експерименти.
Однією з цікавих речей ідеї Фрідмана є те, що вона дозволяє припустити, що може існувати важливе джерело кисню на планетах, повністю незалежних від біологічної еволюції. Таким чином, може бути природним рушієм до окислення поверхні світу з усіма наслідками для цього еволюцією. А може, ні. Сенс у тому, щоб виконати роботу та з’ясувати.
Ще одна складова його роботи, яку Фрідман зробить з мікробіологом Лінном Ротшильдом з дослідницького центру НАСА Еймса, пов’язана з цим питанням, чи можна в середовищах, пов'язаних з вивітрюванням магматичних порід і виробництвом кисню, створювати мікросередовища, які дозволив би певним мікроорганізмам, які живуть у цих середовищах, попередньо адаптуватися до середовища, багатого киснем. Вони намагатимуться вирішити це питання з мікроорганізмами.
AM: Емма Бенкс буде дивитись на хімічну взаємодію в атмосфері місяця Титана Сатурна. Як це пов'язане з розумінням кисню на ранній Землі?
CC: Емма дивиться на інший абіотичний спосіб, який може бути важливим для окислення поверхні світу. Емма робить хімічні обчислювальні моделі, аж до квантового механічного рівня. Вона робить їх у багатьох контекстах, але те, що стосується цієї пропозиції, стосується формування імли.
На Титані - а можливо і на ранній Землі, залежно від вашої моделі атмосфери ранньої Землі - відбувається полімеризація метану (поєднання молекул метану у більші молекули вуглеводневих ланцюгів) у верхній атмосфері. Атмосфера Титана становить кілька відсотків метану; майже весь решта - це молекулярний азот. Він обстріляний ультрафіолетовим світлом від сонця. Він також був обстріляний зарядженими частинками магнітосфери Сатурна. Ефект цього, що діє на метан, CH4, полягає в тому, щоб розбити метан і полімеризувати його на вуглеводні з більш довгими ланцюгами.
Якщо ви почнете полімеризувати метан у довші і довші ланцюги вуглецю, щоразу, коли ви додаєте ще один вуглець у ланцюг, вам доведеться позбутися деякого водню. Наприклад, щоб перейти від CH4 (метану) до C2H6, (етану), ви повинні позбутися двох водню. Водень - надзвичайно легкий атом. Навіть якщо він робить Н2, це надзвичайно легка молекула, і ця молекула втратила верхню частину атмосфери Титану так само, як вона втратила верхню частину атмосфери Землі. Якщо ви знеміть водень з верхівки атмосфери, чистий ефект полягає в окисленні поверхні. Тож це інший спосіб, який дає вам чисте окислення поверхні світу.
Емма цікавиться цим насамперед стосовно того, що відбувається на Титані. Але це також може бути актуальним як своєрідний глобальний окислювальний механізм для ранньої Землі. І, вносячи азот до картини, вона зацікавлена в потенційному виробництві амінокислот із цих умов.
AM: Однією з загадок про раннє життя на Землі є те, як вона пережила руйнівну дію ультрафіолетового (УФ) випромінювання, перш ніж було достатньо кисню в атмосфері, щоб забезпечити озоновий щит. Джаніс Бішоп, Наталі Каброль та Едмонд Грін, усі з яких є інститутом SETI, вивчають деякі з цих стратегій.
CC: І потенційних стратегій там дуже багато. Одне лише бути достатньо глибоким під поверхнею, будь то про землю чи море, щоб бути повністю екранованим. Інший повинен бути захищений мінералами всередині самої води. Джаніс та Лін Ротшильд працюють над проектом, який вивчає роль мінералів оксиду заліза у воді як своєрідного УФ-екрана.
За відсутності кисню залізо у воді буде присутній як оксид заліза. (Коли у вас більше кисню, залізо окислюється далі; воно стає залізним і випадає.) Оксид заліза може потенційно зіграти роль ультрафіолетового щита на ранніх океанах, або в ранніх ставках чи озерах. Щоб дослідити, наскільки він хороший як потенційний ультрафіолетовий щит, ви можете зробити кілька вимірювань, включаючи вимірювання в природних умовах, наприклад, в Єллоустоун. І знову є мікробіологічний компонент у роботі з участю Лінн.
Це пов'язано з проектом, який Наталі Каброл та Едмонд Грін здійснюють з іншого погляду. Наталі та Едмонд дуже зацікавлені в Марсі. Вони обоє в науковій команді Mars Exploration Rover. На додаток до роботи на Марсі, Наталі та Едмонд досліджують навколишнє середовище на Землі як аналогічні сайти Марса. Однією з їх тем дослідження є стратегії виживання у середовищах з високим ультрафіолетовим випромінюванням. Є озеро у шість кілометрів на Ліканкабурі (дрімаючий вулкан в Андах). Тепер ми знаємо, що в озері є мікроскопічне життя. І ми хотіли б знати, які його стратегії виживання у середовищі з високим ультрафіолетом? І це вже інший, дуже емпіричний спосіб вирішити питання про те, як вижило життя у середовищі з високим ультрафіолетовим випромінюванням, яке існувало на ранній Землі.
Ці чотири проекти поєднані, тому що вони пов'язані з підняттям кисню на ранній Землі, як організми виживали до того, як в атмосфері з’явився значний кисень, а потім, як все це стосується Марса.
Оригінальне джерело: Журнал з астробіології
