Результаты исследований могут объяснить, как возникла жизнь на Земле, а также могут быть применены к другим планетам и телам Солнечной системы и к экзопланетам.
Углеродистые материалы с астероида Рюгу
Детальное исследование образцов астероида Рюгу предоставило дополнительные доказательства того, что органические молекулы, давшие начало жизни на нашей планете, были занесены сюда древними кометами. Эти образцы космического камня были возвращены на Землю японской миссией Хаябуса-2, которая посетила космический камень Рюгу, похожий на волчок, в 2018 году. Хаябуса-2 провел около 18 месяцев, изучая астероид и собирая поверхностный материал, который оказался настоящим кладезем информации о нашей Солнечной системе.
Команда ученых, стоящая за новыми разработками в поисках происхождения жизни, обнаружила «брызги расплава» шириной от 5 до 20 микрометров, образовавшиеся, когда кометная пыль, в частности, забрасывала поверхность Рюгу. И внутри этих брызг расплава исследователи обнаружили небольшие углеродистые материалы, похожие на примитивное органическое вещество. Рюгу, официально известный как 162173 Рюгу, представляет собой околоземный астероид шириной 2850 футов (870 метров), лишенный защитной атмосферы. Это означает, что его поверхность напрямую подвержена воздействию космоса и может собирать межпланетную пыль, которая меняет состав поверхности астероида при ударе.
Астероид Рюгу. Вверху — Брызги расплава с поверхности Рюгу, внизу — КТ-срез расплава, показывающий пустоты. JAXA/ Мегуми Мацумото и др.
Брызги расплава, изученные командой, возникли, когда материал поверхности астероида столкнулся с кометной пылью, при этом два материала плавились и смешивались друг с другом во время нагревания, вызванного ударом, и в конечном итоге остывали. Губчатые углеродистые материалы, обнаруженные в расплавах Рюгу, химически отличаются от органических веществ, обычно встречающихся в кометном материале, поскольку в них отсутствуют кислород и азот. Однако это могло бы указывать на то, как вообще образовался материал.
«Это органическое вещество может быть маленькими семенами жизни, когда-то доставленными из космоса на Землю», — заявила в своем заявлении член команды и доцент Высшей школы естественных наук Университета Тохоку Мегуми Мацумото.
«Мы предполагаем, что углеродистые материалы образовались из кометного органического вещества в результате испарения летучих веществ, таких как азот и кислород, во время нагревания, вызванного ударом», — сказала Мацумото. «Это говорит о том, что кометное вещество было перенесено в околоземную область из внешней части Солнечной системы».
Компьютерная томография показывает углеродистый материал, обнаруженный в брызгах расплава из Рюгу. Мэгуми Мацумото и др.
Еще одним свидетельством происхождения органических веществ являются крошечные пустоты, образовавшиеся в результате ударов, в них из материалов на поверхности Рюгу высвободился водяной пар; затем эта вода была захвачена ударным нагретым веществом. «Наши 3D-КТ-изображения и химический анализ показали, что брызги расплава состоят в основном из силикатных стекол с пустотами и небольшими включениями сферических сульфидов железа», — добавила Мацумото. «Химический состав брызг расплава позволяет предположить, что водные силикаты Рюгу смешались с кометной пылью».
Мацумото и его команда продолжают исследовать образцы Рюгу, собранные Хаябусой-2, в надежде обнаружить больше расплавов, которые могут содержать в себе доказательства ударов кометной пыли. Есть надежда, что это позволит лучше понять перенос первичного органического материала в пространство вокруг Земли более 4 миллиардов лет назад, до появления жизни.
Кометы, как правило, существуют на широких орбитах вокруг Солнца, а это означает, что они проводят большую часть своего времени на холодных внешних краях Солнечной системы. Но когда они проникают во внутреннюю часть Солнечной системы, солнечная радиация нагревает их внутренний ледяной материал. Это приводит к тому, что материал превращается прямо в газ — процесс, называемый сублимацией.
Когда этот газообразный материал вырывается из кометы, он уносит с собой часть поверхностного материала объекта. Это не только создает характерные хвосты и ауры, или «комы», комет, но также оставляет следы кометной пыли вокруг Солнца. Когда Земля проходит по этим следам, мы становимся свидетелями метеорных явлений, когда фрагменты пыли сгорают в атмосфере нашей планеты. Однако этот кометный материал с гораздо большей вероятностью попадет на поверхность тел без атмосферы, таких как Рюгу, где он может сохраниться. Таким образом, изучение этих пылевых остатков на образцах Хаябуса-2 может дать подсказку о материале ранней Солнечной системы.
Хелатирующие агенты межзвездных льдов
Как полагают астрофизики, в ранних формах жизни должны были присутствовать биомолекулы в форме РНК и аминокислот. Ключевую роль в стабилизации и копировании РНК играют ионы металлов. Современные клетки используют для транспортировки ионов через мембраны специальные белки, но они слишком большие и сложные и вряд ли могли существовать во времена первых протоклеток. По предположению ученых, в древних клетках ионы могли переноситься при помощи хелатирующих агентов, возникших в межзвездном льду в космосе и попавших вместе с метеоритами на Землю.
Астрофизики Самарского университета имени Королева вместе с американскими коллегами теоретически и экспериментально доказали возможность возникновения в космосе органических веществ, которые попали на Землю вместе с метеоритами и создали условия для развития жизни, сообщила пресс-служба самарского вуза.
«Научная значимость нашего исследования состоит в том, что впервые в мире в аналогах межзвездных льдов были получены органические хелатирующие агенты. Как считают многие ученые, хелатирующие агенты были крайне необходимы для существования и развития первых биологических протоклеток. Эти вещества способствуют переносу ионов металлов сквозь клеточную мембрану, и тем самым они могли участвовать в катализе репликации РНК, то есть в копировании данных РНК и делении древних протоклеток», — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры физики Самарского университета Иван Антонов.
В вузе уточнили, что теоретическую часть исследования провели в Самарском университете, а экспериментальную — в Гавайском университете в США. Антонов отметил, что расчеты и эксперименты показали правдоподобный механизм образования сложной органики внутри межзвездного льда в условиях глубокого космоса. «Это фундаментально расширяет знания о достижимом уровне молекулярной сложности органических молекул в космосе», — подчеркнул специалист.
В повседневной жизни человек почти ежедневно сталкивается с хелатирующими агентами — они применяются в различных моющих средствах, стиральном порошке, шампунях, косметике, а также при реставрации археологических находок, так как легко убирают ржавчину.
хелатная форма удобрений
Содовые озера могут напоминать дарвиновские «маленькие теплые пруды», где зародилась жизнь на Земле
Команда ученых из Вашингтонского университета сделала это открытие, когда обнаружила мелкое «содовое озеро» на западе Канады, которое, судя по всему, обладает химическим составом и условиями, необходимыми небольшому водоему для облегчения спонтанного синтеза сложных молекул, что привели к возникновению жизни на Земле около 4 миллиардов лет назад.
Содовые озера, подобные тому, которое рассматривается в этом исследовании, представляют собой небольшие водоемы, содержащие высокий уровень растворенных карбонатов и натрия, подобно тому, как в них сбрасывают большое количество пищевой соды. Однако в этом случае высокие уровни растворенного натрия и карбоната вызваны реакциями между водой и вулканическими породами.
Озеро Шанс в Канаде — содовое озеро, которое может представлять собой дарвиновские «маленькие теплые пруды», где зародилась жизнь на Земле. Кимберли Поппи Синклер/Вашингтонский университет
С 1950-х годов исследователям удалось получить биологические молекулы, такие как аминокислоты и строительные блоки РНК, из неорганических молекул, но на следующем этапе этого процесса существует давняя проблема. РНК и ДНК, ключевые молекулы жизни, а также мембраны живых клеток нуждаются в фосфатах. Необходимая концентрация фосфатов для образования биомолекул, которую используют в лабораториях, в 1 миллион раз превышает уровень, обычно встречающийся в реках, озерах или океанах. Это стало известно как «проблема фосфатов» в теориях возникновения жизни на Земле, и новое исследование предполагает, что содовые озера могут быть решением этой проблемы.
Помимо высокого уровня растворенных карбонатов и натрия, содовые озера также содержат большое количество фосфатов. Исследование 2019 года показало, что концентрации этих молекул в этих небольших водоемах могут быть в 1 миллион раз выше, чем в типичных водоемах. Это означает, что содовые озера могут стать идеальным местом для появления ключевых молекул жизни.
Чтобы проверить это, Вашингтонский университет приступил к исследованию именно такого содового озера, остановившись на озере «Последний шанс», мутном озере глубиной 1 фут (30 см), найденном в конце грунтовой дороги на плато Карибу в Британской Колумбии, Канада. Было установлено, что в этом конкретном содовом озере в 1990-х годах был самый высокий известный уровень фосфатов.
На дне озера Ласт Шанс есть вулканическая базальтовая порода, это озеро располагается в сухом, ветреном климате, который поддерживает низкий уровень воды, а растворенные соединения концентрируются за счет быстрого испарения поступающей воды. Ученые, стоящие за этим новым исследованием, посещали озеро трижды в период с 2021 по 2022 год: как летом, так и зимой.
Изучив образцы воды, озерных отложений и соляной корки, найденные в озере Последний шанс, команда обнаружила, что кальций в сочетании с обильным карбонатом и магнием образовал доломит. Это отличается от ситуации в других озерах, где фосфат обычно связывается с кальцием, образуя фосфат кальция, который образует, к примеру, эмаль на наших зубах и является нерастворимым, что снижает уровень фосфатов.
Соляная корка, извлеченная из озера Последний шанс, с зелеными водорослями и черным осадком у основания. Дэвид Кэтлингом/Вашингтонский университет
В результате того, что кальций заперт в доломите в озере Ласт Шанс, остается много свободных фосфатов; если бы эти условия были обнаружены в водных бассейнах около 4 миллиардов лет назад, это позволило бы ключевым ингредиентам, ответственным за возникновение химии жизни, существовать в необходимых высоких концентрациях. «У вас есть эта, казалось бы, сухая соляная равнина, но ы ней есть укромные уголки и щели. А между солью и осадком есть небольшие карманы воды с действительно высоким содержанием растворенных фосфатов», — сказал член команды и постдокторант Вашингтонского университета Себастьян Хаас.
«Мы хотели понять, почему и когда это могло произойти на древней Земле, как она могла стать колыбелью зарождения жизни». Команда показала, что содовые озера, подобные Последнему шансу, являются наиболее вероятными местами, где могла зародиться жизнь на Земле. Кроме того, они ожидают, что такие же условия будут возможны и для других тел Солнечной системы и на всех планетах за пределами Солнечной системы, на экзопланетах в том числе.
«Мы изучали природную среду, которая должна быть общей для всей Солнечной системы», — сказал Хаас. «На поверхности планет преобладают вулканические породы, поэтому тот же химический состав воды мог иметь место не только на ранней Земле, но также на раннем Марсе и ранней Венере, если бы там присутствовала жидкая вода. Эти новые результаты помогут информировать исследователей происхождения жизни, которые либо воспроизводят эти реакции в лаборатории, либо ищут потенциально обитаемую среду на других планетах», — заключил Кэтлинг.
Результаты могут помочь решить давнюю проблему объяснения того, как возникла жизнь на Земле, а также могут быть применены к другим планетам Солнечной системы, таким как Марс и Венера. «Я думаю, что эти содовые озера дают ответ на проблему фосфатов», — заявил в своем заявлении старший автор исследования и профессор наук о Земле и космосе Вашингтонского университета Дэвид Кэтлинг. «Наш ответ обнадеживает: такая среда должна была возникнуть на ранней Земле и, возможно, на других планетах, потому что это всего лишь естественный результат того, как созданы поверхности планет и как работает химия воды».
