Attēla kredīts: NASA
Christopher Chyba ir NASA Astrobioloģijas institūta SETI institūta vadošās grupas galvenais pētnieks. Čyba iepriekš vadīja SETI institūta Universitātes dzīves izpētes centru. Viņa NAI komanda veic plašu pētījumu spektru, apskatot gan dzīves pirmsākumus uz Zemes, gan dzīves iespējas citās pasaulēs. Žurnāla Astrobiology galvenais redaktors Henrijs Bortmans nesen runāja ar Čibu par vairākiem savas komandas projektiem, kas pētīs skābekļa izcelsmi un nozīmi Zemes atmosfērā.
Žurnāls Astrobiology: Daudzi no projektiem, pie kuriem strādās jūsu komandas locekļi, ir saistīti ar skābekli Zemes atmosfērā. Mūsdienās skābeklis ir nozīmīga gaisa sastāvdaļa, ko mēs elpojam. Bet Zemes sākumā atmosfērā bija ļoti maz skābekļa. Ir daudz diskusiju par to, kā un kad planētas atmosfēra kļuva skābekļa piesātināta. Vai varat izskaidrot, kā jūsu komandas pētījumi pievērsīsies šim jautājumam?
Kristofers Čibijs: Parastais stāsts, ar kuru jūs droši vien esat pazīstams, ir tāds, ka pēc tam, kad bija attīstījusies skābekļa fotosintēze, uz agrīnās Zemes atradās milzīgs bioloģiskais skābekļa avots. Tas ir parastais skats. Var būt taisnība, un parasti šāda veida argumentos nav tas, vai viens efekts ir pareizs vai nē. Droši vien daudzi efekti bija aktīvi. Tas ir jautājums par to, kāda bija dominējošā ietekme, vai bija vairāki līdzīgas nozīmes efekti.
SETI institūta pētniekam Frīdenmanam Freundam ir pilnīgi nebioloģiska hipotēze par skābekļa līmeņa paaugstināšanos, un tam ir zināms eksperimentāls atbalsts no viņa paveiktā laboratorijas darba. Hipotēze ir tāda, ka tad, kad ieži sacietē no magmas, tie satur nelielu daudzumu ūdens. Dzesēšana un sekojošās reakcijas noved pie akmeņogļu saikņu (kas sastāv no skābekļa un silīcija atomiem) un molekulārā ūdeņraža.
Pēc tam, kad pēc tam savvaļas ieži tiek pakļauti laika apstākļu pārmaiņām, peroksiskās saites veido ūdeņraža peroksīdu, kas sadalās ūdenī un skābeklī. Tātad, ja tas ir pareizi, vienkārši nezināmu iežu atmiršana atmosfērā būs brīva skābekļa avots. Un, ja jūs paskatīsities uz dažiem skābekļa daudzumiem, ko Frīdenmans savos sākotnējos eksperimentos spēj atbrīvot no klintīm labi kontrolētās situācijās, iespējams, ka tas varētu būt būtisks un nozīmīgs skābekļa avots agrīnajā Zemes reģionā.
Tātad, neatkarīgi no fotosintēzes, jebkuram Zemei līdzīgam pasaulei var būt dabisks skābekļa avots, kuram ir savvaļas aktivitāte un pieejams šķidrs ūdens. Tas liek domāt, ka virsmas oksidēšana varētu būt kaut kas, ko jūs sagaidāt, neatkarīgi no tā, vai fotosintēze notiek agri vai vēlu. (Protams, tas ir atkarīgs arī no skābekļa izlietnēm.) Es uzsveru, ka šī ir hipotēze daudz rūpīgākai izpētei. Frīdenmans līdz šim ir veicis tikai eksperimentālos eksperimentus.
Viena no interesantākajām lietām par Frīdemana ideju ir tā, ka tas liek domāt, ka uz planētām varētu būt svarīgs skābekļa avots, kas ir pilnīgi neatkarīgs no bioloģiskās evolūcijas. Tātad varētu būt dabisks virzītājspēks uz pasaules virsmas oksidēšanu ar visām no tā izrietošajām sekām evolūcijai. Vai varbūt nē. Punkts ir darīt darbu un uzzināt.
Cits viņa darba komponents, ko Frīdenmans darīs kopā ar NASA Ames pētījumu centra mikrobiologu Lynn Rothschild, ir saistīts ar šo jautājumu par to, vai vidēs, kas saistītas ar laika apstākļiem, kas saistīti ar atmosfēru pārpalikuma apvidū, un ar skābekļa ražošanu, jūs varētu būt izveidojis tādu mikrovidi, kas būtu ļāvis noteiktiem mikroorganismiem, kas dzīvo šajā vidē, iepriekš pielāgoties videi, kas bagāta ar skābekli. Viņi mēģinās risināt šo jautājumu ar mikroorganismiem.
AM: Emma Banks apskatīs ķīmisko mijiedarbību Saturna mēness Titāna atmosfērā. Kā tas sasaucas ar izpratni par skābekli uz agrīnās Zemes?
CC: Emma skatās citā abiotiskā veidā, kas varētu būt svarīgs pasaules virsmas oksidēšanā. Emma veic ķīmiskus skaitļošanas modeļus, līdz kvantu mehāniskajam līmenim. Viņa tos dara daudzos kontekstos, taču tas, kas attiecas uz šo priekšlikumu, ir saistīts ar miglaina veidošanos.
Uz Titāna un, iespējams, arī uz Zemes, atkarībā no agrīnās Zemes atmosfēras modeļa, atmosfēras augšējā daļā notiek metāna polimerizācija [metāna molekulu apvienojums lielākās ogļūdeņraža ķēdes molekulās]. Titāna atmosfērā ir vairāki procenti metāna; gandrīz viss pārējais ir molekulārais slāpeklis. Tas tiek bombardēts ar saules ultravioleto gaismu. Tas ir arī bombardēts ar uzlādētām daļiņām no Saturna magnetosfēras. Iedarbojoties uz metānu, CH4, metāns sadalās un polimerizējas ogļūdeņražos ar garāku ķēdi.
Ja sākat polimerizēt metānu garākās un garākās oglekļa ķēdēs, katru reizi, kad ķēdē pievienojat vēl vienu oglekli, jums ir jāatbrīvojas no ūdeņraža. Piemēram, lai dotos no CH4 (metāna) uz C2H6 (etānu), jums ir jāatsakās no diviem ūdeņražiem. Ūdeņradis ir ārkārtīgi viegls atoms. Pat ja tas veido H2, tā ir ārkārtīgi viegla molekula un šī molekula tiek pazaudēta Titāna atmosfēras augšpusē, tāpat kā Zemes atmosfēras virsotnē. Ja jūs atgaisojat ūdeņradi no atmosfēras augšdaļas, virsma oksidējas. Tātad tas ir vēl viens veids, kā iegūt pasaules virsmas tīru oksidāciju.
Emma to galvenokārt interesē attiecībā uz to, kas notiek uz Titāna. Bet tas ir potenciāli nozīmīgs arī kā sava veida globāls oksidējošs mehānisms agrīnajai Zemei. Un, ienesot attēlā slāpekli, viņa interesējas par iespējamo aminoskābju ražošanu šajos apstākļos.
AM: Viens no noslēpumiem par Zemes agrīno dzīvi ir tas, kā tā izturēja ultravioletā (UV) starojuma postošo iedarbību, pirms atmosfērā bija pietiekami daudz skābekļa, lai nodrošinātu ozona vairogu. Janice Bishop, Nathalie Cabrol un Edmond Grin, kuri visi ir kopā ar SETI institūtu, pēta dažas no šīm stratēģijām.
CC: Un tur ir ļoti daudz potenciālo stratēģiju. Viens ir pietiekami dziļi zem virsmas, neatkarīgi no tā, vai jūs runājat par zemi vai jūru, lai būtu pilnībā pasargāts. Vēl viens ir ekranēts ar minerāliem pašā ūdenī. Janice un Lynn Rothschild strādā pie projekta, kas pēta dzelzs oksīda minerālu lomu ūdenī kā sava veida UV vairogu.
Ja nebūtu skābekļa, dzelzs ūdenī atrastos kā dzelzs oksīds. (Ja jums ir vairāk skābekļa, dzelzs tālāk oksidējas; tas kļūst dzelzs un izkrīt.) Dzelzs oksīdam, iespējams, varētu būt ultravioletā vairoga loma agrīnajos okeānos vai agrīnajos dīķos vai ezeros. Lai izpētītu, cik labs tas ir potenciālais UV vairogs, ir daži mērījumi, kurus jūs varētu vēlēties veikt, ieskaitot mērījumus dabiskā vidē, piemēram, Jeloustonā. Un atkal darbā ir mikrobioloģiska sastāvdaļa, iesaistot Linu.
Tas ir saistīts ar projektu, kuru īsteno Nathalie Cabrol un Edmond Grin no citas perspektīvas. Natālija un Edmonds ir ļoti ieinteresēti Marsā. Viņi abi ir Mars Exploration Rover zinātnes komandā. Papildus savam Marsa darbam Nathalie un Edmond izpēta vidi uz Zemes kā Marsa analogās vietas. Viena no viņu izmeklēšanas tēmām ir izdzīvošanas stratēģijas vidē ar augstu ultravioleto starojumu. Licancabur (neaktīvs vulkāns Andos) ir sešus kilometrus augsts ezers. Tagad mēs zinām, ka tajā ezerā ir mikroskopiska dzīvība. Un mēs gribētu zināt, kādas ir tās stratēģijas, kā izdzīvot tur, kur valda ultravioletais starojums? Un tas ir atšķirīgs, ļoti empīrisks veids, kā pievērsties šim jautājumam par to, kā dzīve izdzīvoja vidē ar augstu ultravioleto starojumu, kas pastāvēja Zemes sākumā.
Visi šie četri projekti ir saistīti, jo tiem ir sakars ar skābekļa palielināšanos Zemes agrīnajā daļā, kā organismi izdzīvoja, pirms atmosfērā bija ievērojams skābekļa daudzums, un kā tas viss attiecas uz Marsu.
Oriģinālais avots: žurnāls Astrobiology
