Około 4,4 miliarda lat temu sytuacja na Ziemi zaczęła się zmieniać
Zespół naukowców kierowany przez Olega Abramova, starszego naukowca z Planetary Science Institute, zbadał, jak zmieniały się warunki na młodej Ziemi i kiedy mogły one osiągnąć stabilność pozwalającą na zachodzenie procesów chemicznych związanych z początkami życia. Z przeprowadzonych analiz wynika, że mogło to nastąpić już około 4,33 miliarda lat temu. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications”.
Naukowcy wykorzystali trójwymiarowy model komputerowy, aby odtworzyć wpływ uderzeń asteroid, komet oraz planetozymali na temperaturę skorupy Ziemi w okresie od 4,5 do 3,5 miliarda lat temu. Model wskazuje, że kolizje wystarczająco silne, by prowadzić do globalnej sterylizacji środowiska, występowały jeszcze około 4,4 miliarda lat temu. Później coraz częściej pojawiały się obszary, w których warunki były bardziej stabilne, co mogło umożliwiać przetrwanie RNA oraz innych cząsteczek istotnych dla procesów prowadzących do powstania życia.
Podejście zastosowane przez badaczy różniło się od wcześniejszych analiz wykorzystujących między innymi modelowanie geochemiczne, badania biomolekularne oraz modele dotyczące atmosfery wczesnej Ziemi. Naukowcy opracowali model bombardowania naszej planety na podstawie danych obserwacyjnych, wśród których znalazły się informacje o kraterach na Księżycu oraz obecności w górnym płaszczu Ziemi pierwiastków wykazujących szczególne powinowactwo do żelaza.
W analizach uwzględniono zarówno skutki uderzeń utrudniające przetrwanie kluczowych cząsteczek, w tym ich rozpad pod wpływem wysokiej temperatury, jak również procesy, które mogły sprzyjać warunkom potrzebnym do powstania życia. Wśród tych drugich znalazło się tworzenie systemów hydrotermalnych.
Według wyników symulacji Ziemia zaczęła stwarzać warunki odpowiednie dla wczesnych etapów powstawania życia między 4,4 a 4,3 miliarda lat temu. Najbardziej sprzyjający okres przypadł natomiast około 4,33 miliarda lat temu.
Stabilność środowiska była istotna dla hipotezy świata RNA
Badacze skoncentrowali się przede wszystkim na hipotezie „świata RNA”, zgodnie z którą życie mogło przechodzić początkowy etap rozwoju jeszcze przed uzyskaniem przez DNA jego obecnej funkcji. RNA może zarówno przechowywać informację genetyczną, jak i uczestniczyć w reakcjach chemicznych związanych z jego powielaniem. Z tego względu cząsteczki te należą do głównych kandydatów na podstawę pierwotnego układu biologicznego.
Rozwój „świata RNA” wymagał czasu, w którym odpowiednie cząsteczki mogły powstawać, pozostawać stabilne i oddziaływać ze sobą.
Warunki panujące na początku historii Ziemi nie sprzyjały temu procesowi. Planetę regularnie bombardowały asteroidy, komety oraz planetozymale pozostałe po jej formowaniu. Kolizje powodowały gwałtowne podnoszenie temperatury i tworzyły środowisko niekorzystne dla delikatnych cząsteczek. Nowe symulacje pokazują, w jaki sposób sytuacja ulegała zmianie wraz ze stopniowym zmniejszaniem się intensywności bombardowania.
Naukowcy przeanalizowali w modelu zmiany temperatury skorupy Ziemi zachodzące w ciągu miliarda lat pod wpływem kolejnych uderzeń. Następnie zestawili uzyskane wartości z temperaturami, w których RNA oraz inne cząsteczki ważne dla życia mogły zachować stabilność. Wzięli również pod uwagę różne szacunki dotyczące ilości materii docierającej w tym czasie na Ziemię.
Symulacje wykazały wyraźną zmianę około 4,4 miliarda lat temu. Wcześniej fragment skorupy, który zdążył się wystarczająco ochłodzić, mógł zostać ponownie rozgrzany przez następne uderzenie. Oznaczało to, że warunki umożliwiające zachodzenie procesów chemicznych poprzedzających powstanie życia mogły ponownie zostać utracone.
Około 4,4 miliarda lat temu w górnej części skorupy zaczęły pojawiać się obszary, które po ochłodzeniu nie były już ponownie ogrzewane powyżej temperatury przyjętej w badaniu jako próg. Badacze określili je jako miejsca, które nie ulegały już sterylizacji.
Wraz ze zmniejszaniem się intensywności bombardowania zwiększała się powierzchnia takich obszarów. Około 4,25 miliarda lat temu obejmowały one już ponad połowę objętości skorupy uwzględnionej w modelu.
Uderzenia mogły jednocześnie niszczyć i tworzyć warunki sprzyjające życiu
Procesy chemiczne poprzedzające powstanie życia potrzebowały stabilnych temperatur utrzymujących się przez odpowiednio długi czas. Same krótkie okresy ochłodzenia występujące pomiędzy kolejnymi uderzeniami nie były wystarczające. Przed około 4,4 miliarda lat temu ochłodzony fragment skorupy mógł zostać ponownie ogrzany przez następne zderzenie, co powodowało konieczność rozpoczęcia całego procesu od początku.
Pojawienie się obszarów, które nie ulegały już sterylizacji, oznaczało, że część górnej skorupy mogła pozostawać poniżej temperatury przyjętej w badaniu.
Jednocześnie uderzenia nie musiały wyłącznie utrudniać rozwoju „świata RNA”. Dostarczały one znacznych ilości ciepła. Woda przemieszczająca się przez rozgrzane i spękane skały mogła przyczyniać się do powstawania systemów hydrotermalnych. W takich środowiskach występowały jednocześnie woda, ciepło oraz źródła energii chemicznej.
Systemy hydrotermalne od dawna są przez naukowców uznawane za możliwe miejsca zachodzenia reakcji chemicznych poprzedzających powstanie życia.
W historii młodej Ziemi wystąpił zatem okres, w którym oba istotne czynniki mogły pojawiać się równocześnie. Około 4,4 miliarda lat temu uderzenia coraz rzadziej powodowały globalną sterylizację planety, ale nadal dostarczały energii potrzebnej do tworzenia środowisk hydrotermalnych. Z kolei około 4,3 miliarda lat temu symulacje wskazały na szczególnie dużą liczbę połączonych ze sobą systemów hydrotermalnych powstałych w następstwie uderzeń.
RNA potrzebowało czasu na powstanie i przetrwanie
Zdaniem badaczy cząsteczki RNA wymagały odpowiednio długiego okresu stabilności, aby mogły powstać, przetrwać oraz wchodzić ze sobą w interakcje. W miarę słabnięcia bombardowania Ziemi zwiększał się udział tych fragmentów skorupy, które nie były już ponownie ogrzewane powyżej temperatury przyjętej w badaniu.
Szczególnie korzystne warunki wystąpiły około 4,33 miliarda lat temu
Około 4,33 miliarda lat temu na Ziemi mogły już utrzymywać się wystarczająco stabilne warunki, a jednocześnie uderzenia nadal prowadziły do powstawania licznych systemów hydrotermalnych. Według symulacji był to okres szczególnie sprzyjający rozwojowi warunków potrzebnych do powstania życia.
Mariusz Drzewiecki
