Изображение предоставлено NASA
Кристофер Чиба является главным исследователем для ведущей команды Института SETI Института Астробиологии НАСА. Чыба ранее возглавлял Центр изучения жизни во Вселенной Института SETI. Его команда NAI проводит широкий спектр исследовательской деятельности, рассматривая как начало жизни на Земле, так и возможность жизни в других мирах. Генри Бортман, главный редактор Astrobiology Magazine, недавно поговорил с Чибой о нескольких проектах его команды, посвященных изучению происхождения и значимости кислорода в атмосфере Земли.
Астробиологический журнал: Многие из проектов, над которыми будут работать члены вашей команды, связаны с кислородом в атмосфере Земли. Сегодня кислород является важным компонентом воздуха, которым мы дышим. Но на ранней Земле в атмосфере было очень мало кислорода. Существует много споров о том, как и когда атмосфера планеты стала кислородной. Можете ли вы объяснить, как исследования вашей команды подойдут к этому вопросу?
Кристофер Чиба: Обычная история, с которой вы, вероятно, знакомы, состоит в том, что после развития кислородного фотосинтеза на ранней Земле появился огромный биологический источник кислорода. Это обычный взгляд. Это может быть правильно, и в таких аргументах обычно не то, является ли один эффект правильным или нет. Вероятно, многие эффекты были активными. Вопрос в том, что было доминирующим эффектом, или было несколько эффектов сопоставимой важности.
Исследователь Института SETI Фридеман Фрейнд имеет совершенно небиологическую гипотезу о росте кислорода, которая имеет некоторую экспериментальную поддержку от лабораторной работы, которую он сделал. Гипотеза состоит в том, что, когда камни затвердевают от магмы, они содержат небольшое количество воды. Охлаждение и последующие реакции приводят к образованию перекисных связей (состоящих из атомов кислорода и кремния) и молекулярного водорода в породах.
Затем, когда магматическая порода впоследствии выветривается, перекисные связи образуют перекись водорода, которая разлагается на воду и кислород. Так что, если это правильно, просто выветривание изверженных камней станет источником свободного кислорода в атмосферу. И если вы посмотрите на некоторые количества кислорода, которые Фридеманн способен выделять из горных пород в хорошо контролируемых ситуациях в своих первоначальных экспериментах, возможно, это был существенный и значительный источник кислорода на ранней Земле.
Таким образом, даже помимо фотосинтеза, в любом подобном Земле мире может быть своего рода естественный источник кислорода, обладающий изверженной активностью и доступной жидкой водой. Это предполагает, что окисление поверхности может происходить так, как вы ожидаете, независимо от того, происходит ли фотосинтез рано или поздно. (Конечно, время этого зависит также от поглотителей кислорода.) Я подчеркиваю, что на данный момент это все гипотеза для гораздо более тщательного расследования. Пока Фридеман провел только экспериментальные эксперименты.
Одна из интересных вещей в идее Фридемана заключается в том, что она предполагает, что на планетах может существовать важный источник кислорода, полностью независимый от биологической эволюции. Таким образом, может быть естественная движущая сила окисления поверхности мира со всеми вытекающими отсюда последствиями для эволюции. А может и нет. Дело в том, чтобы сделать работу и выяснить.
Другой компонент его работы, который Фридеманн будет делать с микробиологом Линн Ротшильд из Исследовательского центра Эймса НАСА, связан с вопросом о том, могли ли бы вы создать микросреды, которые в окружающей среде, связанной с выветрившимися изверженными породами и выработкой кислорода, позволило бы определенным микроорганизмам, живущим в этих средах, предварительно адаптироваться к среде, богатой кислородом. Они будут работать с микроорганизмами, чтобы попытаться ответить на этот вопрос.
AM: Эмма Бэнкс будет смотреть на химические взаимодействия в атмосфере луны Сатурна Титана. Как это связано с пониманием кислорода на ранней Земле?
CC: Эмма ищет другой абиотический способ, который может быть важен для окисления поверхности мира. Эмма делает химические вычислительные модели, вплоть до квантово-механического уровня. Она делает их в нескольких контекстах, но то, что имеет отношение к этому предложению, связано с образованием дымки.
На Титане - и, возможно, также на ранней Земле, в зависимости от вашей модели атмосферы ранней Земли - происходит полимеризация метана [сочетание молекул метана в более крупные молекулы углеводородной цепи] в верхних слоях атмосферы. Атмосфера Титана на несколько процентов метана; почти все остальное это молекулярный азот. Он засыпан ультрафиолетовым светом солнца. Он также бомбардируется заряженными частицами из магнитосферы Сатурна. Эффект этого, воздействуя на метан, CH4, состоит в том, чтобы расщепить метан и полимеризовать его в углеводороды с более длинной цепью.
Если вы начинаете полимеризовать метан в более длинные и длинные углеродные цепи, каждый раз, когда вы добавляете в цепь еще один углерод, вам нужно избавиться от некоторого количества водорода. Например, чтобы перейти от CH4 (метан) к C2H6 (этан), вам нужно избавиться от двух атомов водорода. Водород - чрезвычайно легкий атом. Даже если он превращается в H2, это чрезвычайно легкая молекула, и эта молекула теряется в верхней части атмосферы Титана, точно так же, как она теряется в верхней части атмосферы Земли. Если вы удаляете водород из верхней части атмосферы, общий эффект заключается в окислении поверхности. Так что это еще один способ, который дает вам чистое окисление поверхности мира.
Эмма заинтересована в этом прежде всего в том, что происходит на Титане. Но это также потенциально актуально как своего рода глобальный окислительный механизм для ранней Земли. И, привнося азот в картину, она заинтересована в потенциальном производстве аминокислот из этих условий.
AM: Одна из загадок ранней жизни на Земле заключается в том, как она пережила разрушительное воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения до того, как в атмосфере было достаточно кислорода, чтобы обеспечить защиту от озона. Дженис Бишоп, Натали Каброл и Эдмонд Грин, все из Института SETI, изучают некоторые из этих стратегий.
CC: И там много потенциальных стратегий. Одна из них - это быть достаточно глубоко под поверхностью, говорите ли вы о земле или море, чтобы быть полностью экранированным. Другой должен быть защищен минералами в самой воде. Дженис и Линн Ротшильд работают над проектом, который исследует роль минералов оксида железа в воде как своего рода защитный экран от ультрафиолета.
В отсутствие кислорода железо в воде будет присутствовать в виде оксида железа. (Когда у вас больше кислорода, железо окисляется дальше; оно превращается в железо и выпадает.) Оксид железа мог потенциально играть роль ультрафиолетового щита в ранних океанах, или в ранних прудах или озерах. Чтобы выяснить, насколько он хорош в качестве потенциального УФ-экрана, вы можете выполнить некоторые измерения, в том числе измерения в естественной среде, например в Йеллоустоне. И снова в работе присутствует микробиологический компонент с участием Линн.
Это связано с проектом, который Натали Каброл и Эдмонд Грин преследуют с другой точки зрения. Натали и Эдмонд очень заинтересованы в Марсе. Они оба в научной команде Mars Exploration Rover. В дополнение к своей работе на Марсе Натали и Эдмонд исследуют окружающую среду на Земле в качестве аналоговых объектов на Марсе. Одна из тем их исследований - стратегии выживания в средах с высоким УФ-излучением. На Ликанкабуре есть озеро высотой шесть километров (дремлющий вулкан в Андах). Теперь мы знаем, что в этом озере есть микроскопическая жизнь. И мы хотели бы знать, каковы его стратегии выживания в среде с высоким ультрафиолетовым излучением? И это другой, очень эмпирический способ решения вопроса о том, как жизнь выжила в среде с высоким ультрафиолетовым излучением, существовавшей на ранней Земле.
Эти четыре проекта связаны между собой, поскольку они связаны с повышением уровня кислорода на ранней Земле, с тем, как организмы выжили до того, как в атмосфере было достаточно кислорода, а затем с тем, как все это связано с Марсом.
Первоначальный источник: Astrobiology Magazine
