Źródło zdjęcia: NASA
Christopher Chyba jest głównym badaczem zespołu wiodącego Instytutu SETI Instytutu Astrobiologii NASA. Chyba poprzednio kierowała Centrum Badań Życia we Wszechświecie Instytutu SETI. Jego zespół NAI prowadzi szeroki zakres działań badawczych, analizując zarówno początki życia na Ziemi, jak i możliwość życia na innych światach. Henry Bortman, redaktor naczelny magazynu Astrobiology, rozmawiał ostatnio z Chyba o kilku projektach swojego zespołu, które badają pochodzenie i znaczenie tlenu w ziemskiej atmosferze.
Astrobiology Magazine: Wiele projektów, nad którymi będą pracować członkowie twojego zespołu, dotyczy tlenu w atmosferze ziemskiej. Dzisiaj tlen jest istotnym składnikiem powietrza, którym oddychamy. Ale na wczesnej Ziemi w atmosferze było bardzo mało tlenu. Toczy się wiele dyskusji na temat tego, jak i kiedy atmosfera planety uległa dotlenieniu. Czy możesz wyjaśnić, w jaki sposób badania twojego zespołu zmierzą się z tym pytaniem?
Christopher Chyba: Zwykła historia, z którą prawdopodobnie jesteście zaznajomieni, jest taka, że po ewolucji fotosyntezy tlenowej istniało wówczas ogromne biologiczne źródło tlenu na wczesnej Ziemi. To jest zwykły widok. Może być słuszne, a zwykle w tego rodzaju argumentach nie chodzi o to, czy jeden efekt jest odpowiedni, czy nie. Prawdopodobnie wiele efektów było aktywnych. Chodzi o to, jaki był efekt dominujący, czy też było kilka efektów o porównywalnym znaczeniu.
Friedemann Freund, badacz z SETI Institute, ma całkowicie niebiologiczną hipotezę na temat wzrostu tlenu, która ma pewne eksperymentalne wsparcie z pracy laboratoryjnej, którą wykonał. Hipoteza jest taka, że kiedy skały zestalają się z magmy, zawierają niewielkie ilości wody. Chłodzenie i późniejsze reakcje prowadzą do wytworzenia połączeń nadtlenkowych (składających się z atomów tlenu i krzemu) i wodoru cząsteczkowego w skałach.
Następnie, gdy skała magmowa jest następnie zwietrzana, połączenia nadtlenkowe wytwarzają nadtlenek wodoru, który rozkłada się na wodę i tlen. Więc jeśli to prawda, zwykłe wietrzenie skał magmowych będzie źródłem wolnego tlenu do atmosfery. A jeśli weźmiesz pod uwagę niektóre ilości tlenu, które Friedemann jest w stanie uwolnić ze skał w dobrze kontrolowanych sytuacjach w swoich początkowych eksperymentach, być może było to znaczące i znaczące źródło tlenu na wczesnej Ziemi.
Więc nawet poza fotosyntezą może istnieć rodzaj naturalnego źródła tlenu w każdym ziemskim świecie, który miałby magiczną aktywność i dostępną płynną wodę. Sugerowałoby to, że utlenianie powierzchni może być czymś, czego można się spodziewać, niezależnie od tego, czy fotosynteza nastąpi wcześnie, czy późno. (Oczywiście czas zależy również od pochłaniaczy tlenu.) Podkreślam, że w tym momencie jest to hipoteza, która wymaga znacznie dokładniejszego badania. Jak dotąd Friedemann przeprowadził tylko pilotażowe eksperymenty.
Jedną z interesujących rzeczy w pomyśle Friedemanna jest to, że sugeruje on, że może istnieć ważne źródło tlenu na planetach całkowicie niezależnych od ewolucji biologicznej. Może więc istnieć naturalny czynnik utleniania powierzchni świata, z wszystkimi następstwami dla ewolucji. Albo może nie. Chodzi o to, aby wykonać pracę i dowiedzieć się.
Kolejny element jego pracy, który Friedemann zrobi z mikrobiologiem Lynnem Rothschildem z NASA Ames Research Center, dotyczy tego pytania, czy w środowiskach związanych z zwietrzałymi skałami magmowymi i produkcją tlenu można stworzyć mikrośrodowiska, które pozwoliłby niektórym mikroorganizmom żyjącym w tych środowiskach wstępnie dostosować się do środowiska bogatego w tlen. Będą pracować z mikroorganizmami, aby spróbować odpowiedzieć na to pytanie.
JESTEM: Emma Banks przyjrzy się interakcjom chemicznym w atmosferze księżyca Saturna, Tytana. Jak to się wiąże ze zrozumieniem tlenu na wczesnej Ziemi?
CC: Emma patrzy na inny abiotyczny sposób, który może być ważny w utlenianiu powierzchni świata. Emma wykonuje chemiczne modele obliczeniowe, aż do poziomu mechaniki kwantowej. Robi je w wielu kontekstach, ale to, co jest istotne dla tej propozycji, ma związek z tworzeniem się mgiełki.
Na Tytanie - i być może także na wczesnej Ziemi, w zależności od modelu atmosfery wczesnej Ziemi - w górnej atmosferze zachodzi polimeryzacja metanu [połączenie cząsteczek metanu w większe cząsteczki łańcucha węglowodorowego]. Atmosfera Tytana składa się z kilku procent metanu; prawie cała reszta to azot cząsteczkowy. Jest bombardowany światłem ultrafioletowym ze słońca. Jest również bombardowany naładowanymi cząsteczkami z magnetosfery Saturna. Efektem tego, działając na metan, CH4, jest rozbicie metanu i jego polimeryzacja w węglowodory o dłuższych łańcuchach.
Jeśli zaczniesz polimeryzować metan w coraz dłuższe łańcuchy węglowe, za każdym razem, gdy dodasz kolejny węgiel do łańcucha, musisz pozbyć się wodoru. Na przykład, aby przejść z CH4 (metan) do C2H6, (etan), musisz pozbyć się dwóch atomów wodoru. Wodór jest wyjątkowo lekkim atomem. Nawet jeśli sprawia, że H2 jest wyjątkowo lekką cząsteczką i ta cząsteczka zagubiła się na szczycie atmosfery Tytana, podobnie jak na szczycie atmosfery ziemskiej. Jeśli upuszczasz wodór z górnej części atmosfery, efektem netto jest utlenienie powierzchni. Jest to więc inny sposób, który zapewnia utlenienie netto powierzchni świata.
Emma jest tym zainteresowana przede wszystkim w związku z tym, co dzieje się na Tytanie. Ale jest również potencjalnie istotny jako rodzaj globalnego mechanizmu utleniającego dla wczesnej Ziemi. Przynosząc azot do zdjęcia, jest zainteresowana potencjalną produkcją aminokwasów z tych warunków.
JESTEM: Jedną z tajemnic wczesnego życia na Ziemi jest to, jak przetrwał szkodliwe działanie promieniowania ultrafioletowego (UV), zanim w atmosferze było wystarczającej ilości tlenu, aby zapewnić osłonę ozonową. Janice Bishop, Nathalie Cabrol i Edmond Grin, wszyscy z Instytutu SETI, badają niektóre z tych strategii.
CC: Istnieje wiele potencjalnych strategii. Jednym z nich jest bycie wystarczająco głęboko pod powierzchnią, bez względu na to, czy mówisz o lądzie, czy morzu, aby być całkowicie osłoniętym. Innym ma być chroniony przez minerały w samej wodzie. Janice i Lynn Rothschild pracują nad projektem, który bada rolę minerałów tlenku żelazowego w wodzie jako rodzaju osłony UV.
W przypadku braku tlenu żelazo w wodzie byłoby obecne jako tlenek żelaza. (Gdy masz więcej tlenu, żelazo utlenia się dalej; staje się żelazne i wypada.) Tlenek żelaza mógł potencjalnie odgrywać rolę tarczy ultrafioletowej we wczesnych oceanach lub we wczesnych stawach lub jeziorach. Aby sprawdzić, jak dobra jest jako potencjalna osłona UV, możesz wykonać pewne pomiary, w tym pomiary w środowisku naturalnym, na przykład w Yellowstone. I po raz kolejny w pracy jest element mikrobiologiczny, z udziałem Lynn.
Jest to związane z projektem, który realizują Nathalie Cabrol i Edmond Grin, z innej perspektywy. Nathalie i Edmond są bardzo zainteresowani Marsem. Obaj należą do zespołu naukowego Mars Exploration Rover. Oprócz pracy na Marsie Nathalie i Edmond badają środowiska na Ziemi jako miejsca analogiczne Marsa. Jednym z tematów badań są strategie przetrwania w środowiskach o wysokim UV. Jezioro Licancabur (uśpiony wulkan w Andach) ma wysokość sześciu kilometrów. Wiemy teraz, że w tym jeziorze jest mikroskopijne życie. A chcielibyśmy wiedzieć, jakie są jej strategie przetrwania w środowisku o wysokim UV? I to jest inny, bardzo empiryczny sposób na pytanie, jak przetrwało życie w środowisku o wysokim promieniowaniu UV, które istniało na wczesnej Ziemi.
Te cztery projekty są ze sobą powiązane, ponieważ mają związek ze wzrostem tlenu na wczesnej Ziemi, tym, jak przetrwały organizmy, zanim w atmosferze pojawił się znaczny tlen, a następnie, jak to wszystko odnosi się do Marsa.
Oryginalne źródło: Astrobiology Magazine
