Naukowcy z NAI’s New York Center for Astrobiology w Rensselaer Polytechnic Institute wykorzystali najstarsze minerały na Ziemi do zrekonstruowania warunków atmosferycznych panujących na Ziemi wkrótce po jej narodzinach. Odkrycia, które ukazały się w bieżącym numerze Nature, są pierwszym bezpośrednim dowodem na to, jak wyglądała starożytna atmosfera planety wkrótce po jej uformowaniu i bezpośrednio podważają lata badań nad rodzajem atmosfery, z której powstało życie na naszej planecie.
Naukowcy pokazują, że atmosfera Ziemi zaledwie 500 milionów lat po jej stworzeniu nie była wypełnionym metanem pustkowiem, jak wcześniej proponowano, ale zamiast tego była znacznie bliższa warunkom naszej obecnej atmosfery. Ustalenia, w pracy zatytułowanej „Stan utlenienia magmy Hadean i implikacje dla wczesnej atmosfery Ziemi”, mają wpływ na nasze zrozumienie tego, jak i kiedy życie zaczęło się na tej planecie i mogło się zacząć w innych miejscach we wszechświecie.
Przez dziesięciolecia, naukowcy wierzyli, że atmosfera wczesnej Ziemi była wysoce zredukowana, co oznacza, że tlen był znacznie ograniczony. Takie ubogie w tlen warunki spowodowałyby powstanie atmosfery wypełnionej szkodliwym metanem, tlenkiem węgla, siarkowodorem i amoniakiem. Do tej pory istnieją szeroko rozpowszechnione teorie i badania na temat tego, jak życie na Ziemi mogło zostać zbudowane z tego śmiertelnego koktajlu atmosferycznego.
Teraz naukowcy z Rensselaer obracają te założenia atmosferyczne na ich głowach z ustaleniami, które dowodzą, że warunki na wczesnej Ziemi po prostu nie sprzyjały tworzeniu tego typu atmosfery, ale raczej atmosfery zdominowanej przez bardziej bogate w tlen związki znajdujące się w naszej obecnej atmosferze – w tym wodę, dwutlenek węgla i dwutlenek siarki.
„Możemy teraz powiedzieć z pewną pewnością, że wielu naukowców badających początki życia na Ziemi po prostu wybrało złą atmosferę”, powiedział Bruce Watson, profesor instytutu nauk ścisłych w Rensselaer.
Znaleziska opierają się na szeroko rozpowszechnionej teorii, że atmosfera Ziemi została utworzona przez gazy uwolnione z aktywności wulkanicznej na jej powierzchni. Dziś, podobnie jak w najwcześniejszych dniach Ziemi, magma płynąca z głębi Ziemi zawiera rozpuszczone gazy. Kiedy magma zbliża się do powierzchni, gazy te są uwalniane do otaczającego powietrza.
„Większość naukowców twierdziłaby, że to odgazowywanie z magmy było głównym wkładem do atmosfery”, powiedział Watson. „Aby zrozumieć naturę atmosfery 'na początku’, musieliśmy ustalić, jakie gatunki gazów były w magmach zasilających atmosferę.”
Jak magma zbliża się do powierzchni Ziemi, albo wybucha, albo zatrzymuje się w skorupie, gdzie oddziałuje z otaczającymi skałami, chłodzi się i krystalizuje w litą skałę. Te zamrożone magmy i zawarte w nich pierwiastki mogą być dosłownymi kamieniami milowymi w historii Ziemi.
Jednym z ważnych kamieni milowych jest cyrkon. W przeciwieństwie do innych materiałów, które są niszczone z czasem przez erozję i subdukcję, niektóre cyrkony są prawie tak stare jak sama Ziemia. Jako takie, cyrkony mogą dosłownie opowiedzieć całą historię planety – jeśli znasz właściwe pytania, które należy zadać.
Naukowcy starali się określić poziomy utlenienia magmy, która uformowała te starożytne cyrkony, aby określić ilościowo, po raz pierwszy w historii, jak bardzo utlenione były gazy uwalniane na początku historii Ziemi. Zrozumienie poziomu utlenienia może oznaczać różnicę między paskudnym gazem bagiennym a mieszaniną pary wodnej i dwutlenku węgla, do której jesteśmy obecnie tak przyzwyczajeni, według głównego autora badania Dustina Traila, badacza podoktorskiego w Centrum Astrobiologii.
„Określając stan utlenienia magmy, która stworzyła cyrkon, moglibyśmy określić rodzaje gazów, które ostatecznie przedostałyby się do atmosfery”, powiedział Trail.
Aby tego dokonać Trail, Watson i ich kolega, badacz podoktorski Nicholas Tailby, odtworzyli formowanie cyrkonu w laboratorium na różnych poziomach utlenienia. Dosłownie stworzyli lawę w laboratorium. Procedura ta doprowadziła do stworzenia miernika utlenienia, który następnie mógł być porównywany z naturalnymi cyrkonami.
Podczas tego procesu szukali oni w cyrkonach stężenia rzadkiego metalu ziemskiego zwanego cerem. Cer jest ważnym wskaźnikiem utleniania, ponieważ można go znaleźć w dwóch stanach utlenienia, z jednym bardziej utlenione niż inne. Im wyższe stężenie bardziej utlenionego typu ceru w cyrkonach, tym bardziej utleniona była atmosfera po ich uformowaniu.
Kalibracje ujawniają atmosferę o stanie utlenienia bliższym warunkom współczesnym. Odkrycia stanowią ważny punkt wyjścia dla przyszłych badań nad początkami życia na Ziemi.
„Nasza planeta jest sceną, na której odegrało się całe życie”, powiedział Watson. „Nie możemy nawet zacząć mówić o życiu na Ziemi, dopóki nie dowiemy się, jaki jest ten etap. A warunki tlenowe były niezwykle ważne ze względu na to, jak wpływają na rodzaje cząsteczek organicznych, które mogą być tworzone.”
Pomimo bycia atmosferą, którą obecnie oddycha, żyje i rozwija się życie, nasza obecna utleniona atmosfera nie jest obecnie rozumiana jako świetny punkt wyjścia dla życia. Metan i jego ubogie w tlen odpowiedniki mają znacznie większy potencjał biologiczny, by przeskoczyć ze związków nieorganicznych do podtrzymujących życie aminokwasów i DNA. Jako takie, Watson myśli odkrycie jego grupy może ożywić teorie, że być może te bloki budulcowe dla życia nie zostały stworzone na Ziemi, ale dostarczone z innego miejsca w galaktyce.
Wyniki nie są jednak sprzeczne z istniejącymi teoriami na temat podróży życia od organizmów beztlenowych do tlenowych. Wyniki określają charakter cząsteczek gazu zawierających węgiel, wodór i siarkę w najwcześniejszej atmosferze, ale nie rzucają światła na znacznie późniejszy wzrost ilości wolnego tlenu w powietrzu. Wciąż istniała znaczna ilość czasu dla tlenu, aby zbudować się w atmosferze poprzez mechanizmy biologiczne, według Trail.
.