Jak burzowe słońce mogło zapoczątkować życie na Ziemi

Nowe badanie zakłada, że ​​pierwsze elementy budulcowe życia na Ziemi, a mianowicie[{” attribute=””>amino acids and carboxylic acids, may have been formed due to solar eruptions. The research suggests that energetic particles from the sun during its early stages, colliding with Earth’s primitive atmosphere, could have efficiently catalyzed essential chemical reactions, thus challenging the traditional “warm little pond” theory.

The first building blocks of life on Earth may have formed thanks to eruptions from our Sun, a new study finds.

A series of chemical experiments show how solar particles, colliding with gases in Earth’s early atmosphere, can form amino acids and carboxylic acids, the basic building blocks of proteins and organic life. The findings were published in the journal Life.

To understand the origins of life, many scientists try to explain how amino acids, the raw materials from which proteins and all cellular life, were formed. The best-known proposal originated in the late 1800s as scientists speculated that life might have begun in a “warm little pond”: A soup of chemicals, energized by lightning, heat, and other energy sources, that could mix together in concentrated amounts to form organic molecules.

Artist’s concept of Early Earth. Credit: NASA

In 1953, Stanley Miller of the University of Chicago tried to recreate these primordial conditions in the lab. Miller filled a closed chamber with methane, ammonia, water, and molecular hydrogen – gases thought to be prevalent in Earth’s early atmosphere – and repeatedly ignited an electrical spark to simulate lightning. A week later, Miller and his graduate advisor Harold Urey analyzed the chamber’s contents and found that 20 different amino acids had formed.

“That was a big revelation,” said Vladimir Airapetian, a stellar astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and coauthor of the new paper. “From the basic components of early Earth’s atmosphere, you can synthesize these complex organic molecules.”

But the last 70 years have complicated this interpretation. Scientists now believe ammonia (NH3) and methane (CH4) were far less abundant; instead, Earth’s air was filled with carbon dioxide (CO2) and molecular nitrogen (N2), which require more energy to break down. These gases can still yield amino acids, but in greatly reduced quantities.

Seeking alternative energy sources, some scientists pointed to shockwaves from incoming meteors. Others cited solar ultraviolet radiation. Airapetian, using data from NASA’s Kepler mission, pointed to a new idea: energetic particles from our Sun.

Kepler observed far-off stars at different stages in their lifecycle, but its data provides hints about our Sun’s past. In 2016, Airapetian published a study suggesting that during Earth’s first 100 million years, the Sun was about 30% dimmer. But solar “superflares” – powerful eruptions we only see once every 100 years or so today – would have erupted once every 3-10 days. These superflares launch near-light speed particles that would regularly collide with our atmosphere, kickstarting chemical reactions.

Energia z naszego młodego Słońca 4 miliardy lat temu pomogła stworzyć molekuły w ziemskiej atmosferze, które pozwoliły im nagrzać się na tyle, by mogło w nich powstać życie. Źródło: Goddard Space Flight Center NASA / Jenna Duberstein

„Gdy tylko opublikowałem ten artykuł, skontaktował się ze mną zespół z Yokohama National University z Japonii” – powiedział Airapetian.

Dr Kobayashi, tamtejszy profesor chemii, spędził ostatnie 30 lat na badaniu chemii prebiotyków. Próbował zrozumieć, w jaki sposób galaktyczne promienie kosmiczne – cząstki spoza Układu Słonecznego – mogły wpłynąć na atmosferę wczesnej Ziemi. „Galaktyczne promienie kosmiczne są ignorowane przez większość badaczy, ponieważ wymagają specjalistycznego sprzętu, takiego jak akceleratory cząstek” – powiedział Kobayashi. „Miałem to szczęście, że miałem dostęp do kilku z nich w pobliżu naszych obiektów”. Niewielkie modyfikacje eksperymentalnej konfiguracji Kobayashiego mogą przetestować pomysły Airapetiana.

Airapetian i Kobayashi oraz ich współpracownicy stworzyli mieszaninę gazów, która odpowiada dzisiejszej atmosferze wczesnej Ziemi. Zebrali dwutlenek węgla, azot cząsteczkowy, wodę i zmienną ilość metanu. (Proporcja metanu we wczesnej ziemskiej atmosferze jest niepewna, ale uważa się, że była niska.) Wystrzeliwali mieszaninę gazów protonami (symulując cząstki słoneczne) lub zapalali ją wyładowaniem iskrowym (symulując błyskawice), powtarzając eksperyment Millera-Ureya dla porównanie.

Dopóki zawartość metanu była większa niż 0,5%, mieszaniny uwalniane przez protony (cząstki energii słonecznej) wytwarzały wykrywalne ilości aminokwasów i kwasów karboksylowych. Ale wyładowania iskrowe (błyskawice) wymagają stężenia metanu około 15%, zanim w ogóle będą mogły powstać jakiekolwiek aminokwasy.

„Nawet gdy obecne jest 15% metanu, tempo produkcji aminokwasów przez piorun jest milion razy niższe niż produkcja protonów” – dodał Airapetian. Protony mają również tendencję do wytwarzania większej ilości kwasów karboksylowych (nabywców aminokwasów) niż te zapalane przez wyładowanie iskrowe.

Zbliżenie na erupcję wulkanu słonecznego, w tym rozbłysk słoneczny, koronalny wyrzut masy i erupcję wulkanu słonecznego. Źródło: Goddard Space Flight Center NASA

Biorąc pod uwagę wszystkie inne czynniki, cząstki słoneczne wydają się być bardziej wydajnym źródłem energii niż błyskawica. Wszystko inne nie było równe, zasugerował Airapetian. Miller i Urey postawili hipotezę, że wyładowania atmosferyczne były równie powszechne w czasach „ciepłego małego stawu”, jak obecnie. Ale błyskawice, które pochodzą z chmur burzowych utworzonych z wznoszącego się ciepłego powietrza, byłyby o około 30% rzadsze w słabym świetle słonecznym.

„W zimnych warunkach nigdy nie ma błyskawic, a wczesna Ziemia była pod bardzo słabym słońcem” – powiedział Airapetian. „To nie znaczy, że nie może pochodzić od błyskawicy, ale błyskawica wydaje się teraz mniej prawdopodobna, a cząsteczki słoneczne wydają się bardziej prawdopodobne”.

Eksperymenty te sugerują, że nasze młode, energiczne Słońce mogło wywołać prekursory życia łatwiej i być może wcześniej, niż wcześniej zakładano.

Odniesienie: „Formation of Amino Acids and Carboxylic Acids in the Weak Reduction of Planetary Atmospheres by Solar Particles from the Young Sun” Kensei Kobayashi Jun-ichi Ise, Ryuhei Aoki, Mei Kinoshita, Koki Naito, Takumi Udo, Bhagawati Konivore Takahashi, Hiromi Shibata, Hajime Mita, Hitoshi Fukuda, Yoshiyuki Oguri Kimitaka Kawamura, Yoko Kibukawa i Vladimir S. Irpetian, 28 kwietnia 2023 r. Dostępne tutaj. życie.
DOI: 10.3390/życie13051103