Πώς ένας θυελλώδης ήλιος θα μπορούσε να έχει ξεκινήσει τη ζωή στη Γη

Μια νέα μελέτη υποστηρίζει ότι τα πρώτα δομικά στοιχεία της ζωής στη Γη, δηλαδή[{” 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.

Η ενέργεια από τον νεαρό Ήλιο μας πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια βοήθησε στη δημιουργία μορίων στην ατμόσφαιρα της Γης που τους επέτρεψαν να θερμανθούν αρκετά για να φιλοξενήσουν ζωή. Πίστωση: Κέντρο διαστημικών πτήσεων Goddard της NASA/Jenna Duberstein

«Μόλις δημοσίευσα αυτό το έγγραφο, μια ομάδα από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Γιοκοχάμα επικοινώνησε μαζί μου από την Ιαπωνία», είπε ο Αϊραπετιάν.

Ο Δρ Kobayashi, καθηγητής χημείας εκεί, είχε περάσει τα τελευταία 30 χρόνια μελετώντας τη χημεία των πρεβιοτικών. Προσπαθούσε να καταλάβει πώς οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες – σωματίδια έξω από το ηλιακό μας σύστημα – θα μπορούσαν να έχουν επηρεάσει την ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης. «Οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες αγνοούνται από τους περισσότερους ερευνητές επειδή απαιτούν εξειδικευμένο εξοπλισμό, όπως επιταχυντές σωματιδίων», είπε ο Kobayashi. «Είχα την τύχη να έχω πρόσβαση σε αρκετά από αυτά κοντά στις εγκαταστάσεις μας». Μικρές τροποποιήσεις στην πειραματική διάταξη του Kobayashi θα μπορούσαν να δοκιμάσουν τις ιδέες του Airapetian.

Ο Airapetian και ο Kobayashi και οι συνεργάτες τους δημιούργησαν ένα μείγμα αερίων που αντιστοιχεί στην ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης όπως την καταλαβαίνουμε σήμερα. Συνέλεξαν διοξείδιο του άνθρακα, μοριακό άζωτο, νερό και μεταβλητή ποσότητα μεθανίου. (Η αναλογία μεθανίου στην ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης είναι αβέβαιη, αλλά πιστεύεται ότι είναι χαμηλή.) Εκτόξευσαν μείγματα αερίων με πρωτόνια (προσομοίωση ηλιακών σωματιδίων) ή τα άναψαν με εκκένωση σπινθήρα (προσομοίωση κεραυνού), επαναλαμβάνοντας το πείραμα Miller-Urey για σύγκριση .

Εφόσον η περιεκτικότητα σε μεθάνιο είναι μεγαλύτερη από 0,5%, τα μείγματα πρωτονίων (τα σωματίδια ηλιακής ενέργειας) παράγουν ανιχνεύσιμες ποσότητες αμινοξέων και καρβοξυλικών οξέων. Αλλά οι εκκενώσεις σπινθήρα (κεραυνός) απαιτούν συγκέντρωση μεθανίου περίπου 15% πριν σχηματιστούν καθόλου αμινοξέα.

«Ακόμη και όταν υπάρχει μεθάνιο 15%, ο ρυθμός παραγωγής αμινοξέων από κεραυνό είναι ένα εκατομμύριο φορές χαμηλότερος από την παραγωγή πρωτονίων», πρόσθεσε ο Airapetian. Τα πρωτόνια τείνουν επίσης να παράγουν περισσότερα καρβοξυλικά οξέα (προμηθευτές αμινοξέων) από εκείνα που αναφλέγονται από την εκκένωση σπινθήρα.

Κοντινό πλάνο μιας ηλιακής ηφαιστειακής έκρηξης, συμπεριλαμβανομένης μιας ηλιακής έκρηξης, μιας εκτίναξης μάζας στέμματος και ενός συμβάντος ηλιακής ηφαιστειακής έκρηξης. Πίστωση: Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA

Όντας όλα τα άλλα ίσα, τα ηλιακά σωματίδια φαίνεται να είναι πιο αποτελεσματική πηγή ενέργειας από τον κεραυνό. Όλα τα άλλα μάλλον δεν ήταν ίσα, πρότεινε ο Αιραπετιάν. Οι Miller και Urey υπέθεσαν ότι οι κεραυνοί ήταν τόσο συνηθισμένοι την εποχή της «ζεστής μικρής λίμνης» όσο και σήμερα. Αλλά οι κεραυνοί, που προέρχονται από τα σύννεφα που σχηματίζονται από την άνοδο του θερμού αέρα, θα ήταν περίπου 30% πιο σπάνια κάτω από το αμυδρό ηλιακό φως.

«Κατά τη διάρκεια των ψυχρών συνθηκών, δεν έχετε ποτέ κεραυνούς και η πρώιμη Γη ήταν κάτω από έναν πολύ αμυδρό ήλιο», είπε ο Αιραπετιάν. «Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα μπορούσε να προέλθει από κεραυνό, αλλά ο κεραυνός φαίνεται λιγότερο πιθανός τώρα και τα ηλιακά σωματίδια φαίνονται πιο πιθανά».

Αυτά τα πειράματα υποδεικνύουν ότι ο νεαρός, ενεργητικός Ήλιος μας θα μπορούσε να έχει προκαλέσει πρόδρομους της ζωής πιο εύκολα, και ίσως νωρίτερα, από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Παραπομπή: «Σχηματισμός αμινοξέων και καρβοξυλικών οξέων στην αδύναμη μείωση των πλανητικών ατμοσφαιρών από ηλιακά σωματίδια από τον νεαρό ήλιο» Του Kensei Kobayashi Jun-ichi Ise, Ryuhei Aoki, Mei Kinoshita, Koki Naito, Takumi Odo, Bhagorekaihati, Shibata, Hajime Mita, Hitoshi Fukuda, Yoshiyuki Oguri Kimitaka Kawamura, Yoko Kibukawa και Vladimir S. Irpetian, 28 Απριλίου 2023 Διαθέσιμο εδώ. ΖΩΗ.
DOI: 10.3390/life13051103