Космическая рулетка: как удачный химический баланс подарил Земле жизнь

Существование жизни на Земле, возможно, является результатом невероятного везения — попадания в химическую «зону удачи», которую большинство планет в процессе своего формирования благополучно минует.

Новое исследование показывает, что Земля сформировалась в условиях необычайно точного химического баланса, позволившего ей удержать два элемента, абсолютно необходимых для известной нам жизни: фосфор и азот. Согласно исследованию, без идеального соотношения этих элементов каменистая планета может выглядеть пригодной для жизни на поверхности, но при этом быть в корне неспособной поддерживать биологию.

«В процессе формирования планетарного ядра должно присутствовать именно правильное количество кислорода, чтобы фосфор и азот могли остаться на поверхности планеты», — заявил в своём заявлении ведущий автор исследования Крейг Уолтон из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich).

Химическая лотерея молодой Земли

Земля, по всей видимости, попала в эту тонкую химическую «зону удачи» почти 4,6 миллиарда лет назад, и новые выводы могут изменить подход учёных к поиску внеземной жизни.

Когда формируются молодые планеты, они часто бывают частично или полностью расплавленными. Тяжёлые металлы опускаются внутрь, образуя ядро, а более лёгкие материалы остаются ближе к поверхности. На этой хаотической стадии, известной как дифференциация (или формирование ядра), количество присутствующего кислорода играет решающую роль в определении того, где окажутся другие элементы и останутся ли они доступными для будущей жизни.

Исследование предполагает, что уровень кислорода должен находиться в удивительно узком диапазоне, чтобы и фосфор, и азот остались в мантии и коре планеты.

• Слишком мало кислорода — и фосфор связывается с железом и утягивается в ядро, лишая поверхность ключевого ингредиента для ДНК, клеточных мембран и передачи энергии.

• Слишком много кислорода — и азот легче улетучивается в космос.

   

В любом случае химия, необходимая для жизни, никогда не складывается воедино.

Используя модели планетообразования и геохимического поведения, исследователи обнаружили, что Земля находится строго внутри этого узкого диапазона среднего уровня кислорода, который они назвали химической «зоной Златовласки». В итоге наша планета сохранила достаточно фосфора и азота, чтобы впоследствии «запустить» биологию — результат, который может оказаться далеко не типичным для каменистых миров.

«Наши модели ясно показывают, что Земля находится именно в этом диапазоне, — отметил Уолтон. — Будь у нас во время формирования ядра чуть больше или чуть меньше кислорода, для развития жизни не хватило бы фосфора или азота».

Для сравнения, исследователи также смоделировали формирование других планет, таких как Марс, где уровни кислорода оказались вне этой химической «зоны Златовласки». На Марсе, согласно моделям, в мантии больше фосфора, чем на Земле, но меньше азота, что создаёт сложные условия для жизни в привычном нам понимании.

Переосмысление «зоны обитаемости»

Полученные данные ставят под сомнение традиционный фокус на «обитаемой зоне» — области вокруг звезды, где может существовать жидкая вода. Хотя вода критически важна, исследование предполагает, что это может быть лишь частью истории. Планета может находиться на правильном расстоянии от своей звезды, но при этом не иметь внутреннего химического «набора», необходимого для зарождения жизни.

Ключевым моментом является то, что кислородные условия, определяющие этот процесс, связаны с химическим составом звезды-хозяина. Поскольку планеты формируются из того же материала, что и их звёзды, химический состав звезды может указывать на то, способна ли система в принципе производить планеты, дружелюбные к жизни.

Если исследователи правы, Земля может быть не космической нормой, а скорее счастливым исключением — планетой, выигравшей редкий химический джекпот в самом начале. Использование Земли в качестве эталона может помочь учёным точнее определить экзопланеты, которые с наибольшей вероятностью обладают идеальным балансом элементов, необходимых для жизни.

«Это делает поиск жизни на других планетах гораздо более специфичным, — пояснил Уолтон. — Нам следует искать планетные системы со звёздами, похожими на наше Солнце».

Их выводы были опубликованы 9 февраля в журнале Nature Astronomy. Это исследование добавляет новый, критически важный параметр в уравнение Дрейка, подчёркивая, что даже в «правильном» месте у планеты должен быть и «правильный» химический состав, чтобы стать колыбелью жизни. Таким образом, шансы на обнаружение второй Земли могут оказаться ещё более призрачными, а наша собственная планета — ещё более уникальным и хрупким чудом Вселенной.