Химический анализ некоторых древних осадочных пород в различных частях мира, проведенный международной исследовательской группой под руководством научного сотрудника Центра петрографических и геохимических исследований , позволил получить самые древние из имеющихся на сегодняшний день данных об атмосфере Земли.
Эти результаты показывают, что более 4.000 миллиардов лет назад состав атмосферы Земли был очень похож на тот, который существовал миллиард лет спустя, когда на поверхности планеты сформировалась микробная биосфера, ставшая источником разнообразия жизни, которое мы знаем сегодня.
Значение атмосферы в развитии жизни
Это открытие, недавно опубликованное в журнале PNAS , может дать более ясное понимание ранних процессов, которые привели к возникновению жизни на Земле . До недавнего времени ученые располагали лишь очень ограниченными и разнообразными компьютерными моделями ранней атмосферы. Теперь это исследование предоставляет ключевые данные, которые могут помочь подтвердить или опровергнуть некоторые из наиболее широко принятых теорий о происхождении жизни на нашей планете.
Предварительное исследование примитивной атмосферы
Этот новый анализ основывается на предыдущем исследовании, проведенном в 2008 году, которое показало, что горные породы на побережье Гудзонова залива в северном Квебеке образовались в виде осадков более 4.300 миллиарда лет назад, через несколько сотен миллионов лет после образования Земли.
Фактически, исследователи обнаружили, что в тот период атмосфера, вероятно, не содержала значительного количества молекулярного кислорода ( O2 ) . Свободный кислород начал накапливаться лишь миллиарды лет спустя в результате кислородного фотосинтеза такими организмами, как цианобактерии, — событие, известное как Великое окислительное событие.
В течение всего этого времени атмосфера состояла преимущественно из водорода ( H2 ) , метана ( CH4 ), аммиака ( NH3 ) и водяного пара ( H2O ) , что определило условия для появления первых бактериальных и архейных форм жизни на планете.
Парадокс молодого и слабого Солнца
Одна из проблем, с которыми столкнулись ученые при изучении этого периода, — так называемый парадокс «слабого молодого Солнца» . По оценкам, 4.000 миллиарда лет назад Солнце было молодой звездой, светимость которой была примерно на 30% меньше, чем сегодня. Это должно было привести к тому, что Земля оставалась бы в полностью замерзшем состоянии, особенно учитывая ее расстояние от Солнца и отсутствие парниковых газов, подобных тем, которые мы знаем сегодня.
Однако были обнаружены свидетельства того, что в земной коре когда-то находилась жидкая вода , что позволяет предположить, что парниковые газы, присутствовавшие в то время, такие как метан , сыграли решающую роль в поддержании достаточной температуры Земли для существования океанов. Это ключевой элемент головоломки, касающейся не только атмосферы Земли, но и пригодности планеты для жизни.
Роль первых микроорганизмов
Эволюция жизни в атмосфере была бы невозможна без появления первых микроорганизмов . Эти одноклеточные организмы, известные как цианобактерии или сине-зеленые водоросли, начали выделять кислород в атмосферу в процессе кислородного фотосинтеза около 2.400 миллиарда лет назад , положив начало Великому окислительному событию . Этот кислород не только преобразил примитивную атмосферу, но и заложил основу для развития новых форм жизни, способных использовать этот газ для клеточного дыхания.
Первые формы жизни, состоящие из прокариотических клеток, сумели адаптироваться к суровым условиям первобытной атмосферы и заложили основы эволюции и разнообразия многоклеточных живых существ, которые появятся спустя сотни миллионов лет.
Влияние основного окисления
Великое окислительное событие повлияло не только на ранние анаэробные организмы, но и спровоцировало серию ледниковых периодов из-за сокращения выбросов парниковых газов, таких как метан, который был заменен углекислым газом ( CO2 ), менее эффективным в удержании тепла.
Эти ледниковые периоды, такие как гуронское оледенение , являются одними из древнейших эпизодов в истории климата Земли. Был период, когда Земля, возможно, была полностью покрыта льдом, иногда называемый « Земля-снежный шар» . Несмотря на эти экстремальные климатические явления, жизнь смогла процветать, адаптироваться и продолжать эволюционировать.
Гипотеза происхождения жизни
Что касается происхождения жизни в этот период, существует несколько гипотез. Наиболее широко принята теория «первобытного бульона» , предложенная такими учеными, как А. Опарин и Дж. Б. С. Холдейн, которые предположили, что ранние океаны содержали химические соединения, необходимые для образования первых органических молекул. Эти соединения могли взаимодействовать при подходящих энергетических условиях, таких как грозы или гидротермальные источники, образуя первые аминокислоты, нуклеотиды и другие молекулы, необходимые для жизни.
Будущие направления исследований
Современные исследования ранней атмосферы и её связи с происхождением жизни открывают новые направления исследований не только прошлого нашей планеты, но и возможности существования жизни на других мирах. Такие планеты, как Марс , и ледяные спутники Сатурна и Юпитера, изучаются с целью понять, как жизнь могла развиваться в экстремальных атмосферных условиях, подобных тем, что существовали на Земле в первые годы её существования.
По мере того как ученые изучают древние ископаемые микроорганизмы , такие как строматолиты, и анализируют атмосферы экзопланет, мы будем лучше понимать способность организмов преобразовывать окружающую среду и условия, позволяющие планете долгое время оставаться обитаемой.
Это новое исследование атмосферы, существовавшей 4.000 миллиарда лет назад, открывает нам захватывающую возможность заглянуть в критически важную эпоху в истории Земли, сыгравшую основополагающую роль в развитии жизни в том виде, в каком мы ее знаем.