Έχουμε την κοσμική σκόνη να ευχαριστήσουμε για τη ζωή στη Γη; | ETH Zurich – University of Cambridge

Ίσως αυτό που έθεσε σε κίνηση την πρεβιοτική χημεία και τη διατήρησε στις πρώτες μέρες της Γης ήταν η σκόνη από το διάστημα που συσσωρεύτηκε σε τρύπες λιωμένη σε φύλλα πάγου. Ερευνητές στο ETH Zurich και στο Πανεπιστήμιο του Cambridge χρησιμοποίησαν ένα υπολογιστικό μοντέλο για να δοκιμάσουν αυτό το σενάριο.

Ένας αστεροειδής διαλύεται, παράγοντας πολλή σκόνη, η οποία φτάνει τελικά στη Γη. (Εικόνα: NASA / JPL-​Caltech)

An asteroid is breaking up, producing a lot of dust, which reaches the Earth eventually. (Image NASA JPL-_Caltech)
Ένας αστεροειδής διαλύεται, παράγοντας πολλή σκόνη, η οποία φτάνει τελικά στη Γη. (Εικόνα: NASA / JPL-​Caltech)

Εν συντομία

  • Οι ερευνητές πιστεύουν ότι είναι πιθανό ότι βιολογικά σχετικά στοιχεία όπως το θείο, ο φώσφορος, ο άνθρακας και το άζωτο έφτασαν στη Γη ως επί το πλείστον με τη μορφή κοσμικής σκόνης.
  • Για να ελέγξουν την υπόθεση τους, οι ερευνητές προσομοίωσαν την είσοδο της κοσμικής σκόνης στα πρώτα 500 εκατομμύρια χρόνια της ιστορίας της Γης.
  • Το μοντέλο τους δείχνει επίσης πού θα μπορούσαν να συσσωρευτούν σημαντικές ποσότητες σκόνης και πού θα μπορούσαν να σχηματιστούν αυθόρμητα τα πρώτα οργανικά μόρια.

Προτού υπάρξει ζωή στη Γη, έπρεπε να υπάρξει χημεία για να σχηματιστούν οργανικά μόρια από τα χημικά στοιχεία άζωτο, θείο, άνθρακας και φώσφορος. Για να ξεκινήσουν και να διατηρηθούν οι αντίστοιχες χημικές αντιδράσεις, αυτά τα στοιχεία έπρεπε να υπάρχουν σε αφθονία – και να αναπληρώνονται συνεχώς. Στην ίδια τη Γη, ωστόσο, αυτά τα στοιχεία ήταν και εξακολουθούν να υπάρχουν σε έλλειψη.

Στην πραγματικότητα, τα στοιχειώδη δομικά στοιχεία της ζωής ήταν τόσο σπάνια που οι χημικές αντιδράσεις θα είχαν εξαντληθεί γρήγορα, αν όντως κατάφερναν ποτέ να ξεκινήσουν καθόλου. Γεωλογικές διεργασίες όπως η διάβρωση και η διάβρωση των πετρωμάτων της Γης δεν ήταν επίσης σε θέση να εξασφαλίσουν επαρκή παροχή, καθώς ο φλοιός της Γης περιείχε απλώς πολύ λίγα από αυτά τα στοιχεία. Ωστόσο, στα πρώτα 500 εκατομμύρια χρόνια της ιστορίας της Γης, αναπτύχθηκε μια πρεβιοτική χημεία που παρήγαγε οργανικά μόρια όπως RNA, DNA, λιπαρά οξέα και πρωτεΐνες, στα οποία βασίζεται όλη η ζωή.

Συστατικά από το διάστημα;

Από πού προήλθαν οι απαιτούμενες ποσότητες θείου, φωσφόρου, αζώτου και άνθρακα; Ο γεωλόγος και συνεργάτης του Nomis, Craig Walton είναι πεπεισμένος ότι αυτά τα στοιχεία ήρθαν στη Γη κυρίως ως κοσμική σκόνη.

Αυτή η σκόνη δημιουργείται στο διάστημα, για παράδειγμα όταν οι αστεροειδείς συγκρούονται μεταξύ τους. Ακόμη και σήμερα, περίπου 30.000 τόνοι σκόνης εξακολουθούν να πέφτουν στη Γη από το διάστημα κάθε χρόνο. Στις πρώτες μέρες της Γης, ωστόσο, η σκόνη έπεφτε σε πολύ μεγαλύτερους όγκους, που έφταναν τα εκατομμύρια τόνους ετησίως. Πάνω από όλα, όμως, τα σωματίδια της σκόνης περιέχουν πολύ άζωτο, άνθρακα, θείο και φώσφορο. Θα έχουν επομένως τη δυνατότητα να θέσουν σε κίνηση έναν χημικό καταρράκτη.

Ωστόσο, το γεγονός ότι η σκόνη διαχέεται ευρέως και μπορεί να βρεθεί μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες σε οποιοδήποτε μέρος μιλάει ενάντια σε αυτό. «Αλλά αν συμπεριλάβετε τις διαδικασίες μεταφοράς, τα πράγματα φαίνονται διαφορετικά», λέει ο Walton. Ο άνεμος, η βροχή ή τα ποτάμια συλλέγουν την κοσμική σκόνη σε μια μεγάλη περιοχή και την αποθέτουν σε συμπυκνωμένη μορφή σε ορισμένες τοποθεσίες.

Νέο μοντέλο για να διευκρινιστεί η ερώτηση

Για να ανακαλύψει εάν η κοσμική σκόνη θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι η πηγή που ξεκίνησε την πρεβιοτική χημεία (αντιδράσεις), ο Walton ανέπτυξε ένα μοντέλο μαζί με συναδέλφους του από το Πανεπιστήμιο του Cambridge.

Sediments and cosmic dust collect in melt holes on glaciers. This could have facilitated the development of prebiotic chemistry. (Photograph Kertu Liis Krigul CC BY-_SA 4.0)
Τα ιζήματα και η κοσμική σκόνη συγκεντρώνονται σε τρύπες τήξης στους παγετώνες. Αυτό θα μπορούσε να διευκολύνει την ανάπτυξη της πρεβιοτικής χημείας. (Φωτογραφία: Kertu Liis Krigul / CC BY-​SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64480623)

Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, οι ερευνητές προσομοίωσαν πόση κοσμική σκόνη έπεσε στη Γη τα πρώτα 500 εκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του πλανήτη μας και πού θα μπορούσε να είχε συσσωρευτεί στην επιφάνεια της Γης. Η μελέτη τους δημοσιεύτηκε τώρα στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy. Το μοντέλο αναπτύχθηκε σε συνεργασία με ειδικούς σε θέματα καθίζησης και αστροφυσικούς από το Πανεπιστήμιο του Cambridge. Οι Βρετανοί ερευνητές ειδικεύονται στην προσομοίωση πλανητικών και αστεροειδών συστημάτων.

Οι προσομοιώσεις τους δείχνουν ότι θα μπορούσαν να υπήρχαν μέρη στην πρώιμη Γη με εξαιρετικά υψηλή συγκέντρωση κοσμικής σκόνης. Και ότι οι προμήθειες ανανεώνονταν συνεχώς από το διάστημα. Ωστόσο, οι βροχές σκόνης μειώθηκαν γρήγορα και απότομα μετά το σχηματισμό της Γης: μετά από 500 εκατομμύρια χρόνια, η ροή της σκόνης ήταν μια τάξη μεγέθους μικρότερη από το έτος μηδέν. Οι ερευνητές αποδίδουν περιστασιακές ανοδικές αιχμές σε αστεροειδείς που διαλύθηκαν και έστειλαν μια ουρά σκόνης προς τη Γη.

Τρύπες τήξης σε φύλλα πάγου ως παγίδες σκόνης

Οι περισσότεροι επιστήμονες, αλλά και μη ειδικοί, υποθέτουν ότι η Γη καλυπτόταν από έναν ωκεανό μάγμα για εκατομμύρια χρόνια. Αυτό θα είχε αποτρέψει τη μεταφορά και την εναπόθεση κοσμικής σκόνης για μεγάλο χρονικό διάστημα. «Ωστόσο, πιο πρόσφατη έρευνα έχει βρει στοιχεία ότι η επιφάνεια της Γης ψύχθηκε και στερεοποιήθηκε πολύ γρήγορα και ότι σχηματίστηκαν μεγάλα στρώματα πάγου», λέει ο Walton.

Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις, αυτά τα στρώματα πάγου θα μπορούσαν να ήταν το καλύτερο περιβάλλον για τη συσσώρευση κοσμικής σκόνης. Οι τρύπες τήξης στην επιφάνεια του παγετώνα – γνωστές ως τρύπες κρυοκονίτη – θα επέτρεπαν τη συσσώρευση όχι μόνο ιζημάτων αλλά και κόκκων σκόνης από το διάστημα. Με τον καιρό, τα αντίστοιχα στοιχεία απελευθερώθηκαν από τα σωματίδια της σκόνης. Μόλις η συγκέντρωσή τους στο νερό των παγετώνων έφτασε σε μια κρίσιμη τιμή κατωφλίου, άρχισαν από μόνες τους χημικές αντιδράσεις, που οδήγησαν στο σχηματισμό των οργανικών μορίων που είναι η πηγή της ζωής.

Είναι πολύ πιθανό ότι οι χημικές διεργασίες ξεκίνησαν ακόμη και στις παγωμένες θερμοκρασίες που επικρατούν στις τρύπες τήξης: «Το κρύο δεν διαταράσσει την οργανική χημεία – αντίθετα: οι αντιδράσεις είναι πιο επιλεκτικές και ειδικές σε χαμηλές θερμοκρασίες παρά σε υψηλές θερμοκρασίες», ο Walton συμπληρώνει. Άλλοι ερευνητές έχουν δείξει στο εργαστήριο ότι τα απλά ριβονουκλεϊκά οξέα (RNA) σε σχήμα δακτυλίου σχηματίζονται αυθόρμητα σε τέτοιες σούπες λιωμένου νερού σε θερμοκρασίες γύρω από την κατάψυξη και στη συνέχεια αναπαράγονται. Ένα αδύναμο σημείο στο επιχείρημα θα μπορούσε να είναι ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα στοιχεία που απαιτούνται για τη δημιουργία των οργανικών μορίων διαλύονται πολύ αργά από τα σωματίδια σκόνης.

Έναρξη συζήτησης για την προέλευση της ζωής

Η θεωρία που έχει διατυπώσει ο Walton δεν είναι αδιαμφισβήτητη στην επιστημονική κοινότητα. «Αυτή η μελέτη σίγουρα θα πυροδοτήσει μια αμφιλεγόμενη επιστημονική συζήτηση», λέει ο Walton, «αλλά θα δώσει επίσης αφορμή για νέες ιδέες για την προέλευση της ζωής».

Ήδη από τον 18ο και τον 19ο αιώνα, οι επιστήμονες ήταν πεπεισμένοι ότι οι μετεωρίτες έφεραν τα «στοιχεία της ζωής», όπως τα αποκαλεί ο Walton, στη Γη. Ακόμη και τότε, οι ερευνητές βρήκαν μεγάλες ποσότητες αυτών των στοιχείων σε βράχους από το διάστημα, αλλά όχι στο θεμέλιο της Γης. «Από τότε, ωστόσο, σχεδόν κανείς δεν έχει σκεφτεί την ιδέα ότι η πρεβιοτική χημεία τέθηκε σε κίνηση κυρίως από μετεωρίτες», λέει ο Walton.

«Η ιδέα για τον μετεωρίτη ακούγεται συναρπαστική, αλλά υπάρχει μια σύλληψη», εξηγεί ο Walton. Ένας μόνο μετεωρίτης παρέχει αυτές τις ουσίες μόνο σε περιορισμένο περιβάλλον. όπου χτυπά στο έδαφος είναι τυχαία και δεν είναι εγγυημένες περαιτέρω προμήθειες. «Νομίζω ότι είναι απίθανο η προέλευση της ζωής να εξαρτάται από μερικά ευρέως και τυχαία διάσπαρτα κομμάτια βράχου», λέει. «Η εμπλουτισμένη κοσμική σκόνη, από την άλλη πλευρά, νομίζω ότι αποτελεί μια εύλογη πηγή».

Το επόμενο βήμα του Walton θα είναι να δοκιμάσει τη θεωρία του πειραματικά. Στο εργαστήριο, θα χρησιμοποιήσει μεγάλα δοχεία αντίδρασης για να αναδημιουργήσει τις συνθήκες που θα μπορούσαν να επικρατούσαν στις αρχέγονες τρύπες τήγματος, στη συνέχεια θα θέσει τις αρχικές συνθήκες σε αυτές που πιθανώς υπήρχαν σε μια τρύπα κρυοκονίτη πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια – και, τέλος, θα περιμένει να δει αν όντως αναπτύσσονται χημικές αντιδράσεις του είδους που παράγουν βιολογικά σχετικά μόρια.

Ο Craig Walton εργάζεται στο Centre for Origin and Prevalence of Life (COPL) στο ETH Zurich από τον Σεπτέμβριο του 2023. Εργάζεται στην ομάδα της Maria Schönbächler, καθηγήτριας στο Ινστιτούτο Γεωχημείας και Πετρολογίας στο ETH Department of Earth Sciences.

Aναδημοσίευση άρθρου του Peter Rüegg 28.02.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >

Πηγή: Walton CR, Rigley JK, Lipp A et al. Cosmic dust fertilization of glacial prebiotic chemistry on early Earth. Nature Astronomy (2024). DOI: external page10.1038/s41550-​024-02212-z

Αφήστε μια απάντηση

Κάντε κύλιση στην κορυφή