|
Полярные сияния стали генератором пребиотической химии
|
|
|
|
Обычно мы думаем о полярных сияниях как о красивых огнях в ночном небе. Я рассматриваю их как видимые следы связи между Солнцем, магнитным полем Земли и атмосферой. Это навело меня на вопрос о происхождении жизни: могла ли планетарная структура, вызывающая полярные сияния, также способствовать химическим реакциям на ранней Земле?
|
|
|
|
В исследованиях происхождения жизни рассматривались ультрафиолетовое излучение, молнии, столкновения, гидротермальная активность и энергетические частицы как источники энергии для пребиотической химии. Мое исследование, опубликованное в журнале BioSystems, задает дополнительный вопрос: где могла многократно концентрироваться эта энергия?
|
|
|
|
Рассматривая связи
|
|
|
|
Мои исследования часто начинаются с взаимосвязей, а не с отдельных объектов. Солнце посылает энергию и заряженные частицы к Земле; магнитное поле Земли направляет некоторые из них в высокоширотные районы, где они взаимодействуют с атмосферой. Продукты реакции могут затем попадать на поверхность полярных стран.
|
|
|
|
|
|
|
Солнечная активность, физика магнитосферы, химия атмосферы, полярные льды и химия пребиотиков, как правило, изучаются отдельно. Однако, если рассматривать полярные сияния как единую структуру окружающей среды, то они представляют собой возможную реакционную среду, а не просто места, где появляется цветной свет.
|
|
|
|
Палеомагнитные данные указывают на то, что более 3,4 миллиарда лет назад на Земле существовала функционирующая геодинамика, в то время как молодое солнце было более активным, чем сегодня. Древние полярные сияния не обязательно были похожи на современные, но эти условия заставляют задуматься о том, как магнитное поле в древности организовывало проникновение энергичных частиц.
|
|
|
|
Пояса полярных сияний представляют собой локализованную химическую среду.
|
|
|
|
Электроны и ионы с высокой энергией следуют за структурами магнитного поля и попадают в атмосферу преимущественно в высоких широтах. При столкновении с азотом, углекислым газом, водяным паром и газами с незначительным восстановлением могут образовываться ионы, радикалы, возбужденные молекулы и вторичные электроны.
|
|
|
|
Предыдущие эксперименты с облучением показали, что энергичные частицы могут образовывать аминокислоты, карбоновые кислоты и гидролизуемые органические предшественники в подходящих пребиотических условиях.
|
|
|
|
Химия пребиотиков на основе частиц сама по себе не является моим новым предложением. В этом смысле пояса полярных сияний Земли, возможно, в совокупности образовали естественный ионно-лучевой реактор: реакционную систему планетарного масштаба, в которой управляемые магнитным полем энергетические частицы, включая электроны, протоны и другие ионы, возбуждают локализованные зоны реакции в атмосфере.
|
|
|
|
Новым элементом является пространственная организация: магнитное поле Земли, возможно, неоднократно концентрировало химический состав, управляемый частицами, в пределах географически ограниченных авроральных поясов, поддерживая локальное химическое неравновесие.
|
|
|
|
Это не означает, что в светящихся верхних слоях атмосферы сформировались полноценные биомолекулы, полимеры или живые системы. Я рассматриваю химический состав полярных сияний как основной источник реактивного материала. Атмосферная циркуляция, аэрозоли и осадки могли переносить продукты вниз. Там, где на поверхности земли были холодные условия или сезонный лед, замораживание могло привести к концентрации растворенных веществ в оставшейся жидкости, что потенциально могло привести к дальнейшим реакциям.
|
|
|
|
Гипотеза не требует, чтобы полярные сияния производили больше органического материала во всем мире, чем другие основные источники энергии. Их отличительной особенностью является повторяющееся локальное выделение энергии. Химическая эволюция может зависеть не только от производства, но и от транспортировки, накопления, концентрирования и возможности повторного протекания реакции.
|
|
|
|
Гипотеза, которую можно проверить
|
|
|
|
В предложении содержатся проверяемые прогнозы. Эксперименты позволяют получить реалистичные электронные и ионные спектры газовых смесей ранней Земли и сравнить полученные результаты с результатами, полученными при воздействии ультрафиолетового излучения. Модели могут сочетать древние магнитные поля, условия солнечного ветра и химический состав атмосферы, чтобы предсказать, где накапливалась энергия частиц. Геологические исследования также могут быть направлены на поиск химических или изотопных закономерностей, связанных с древними высокоширотными средами обитания.
|
|
|
|
Гипотеза потеряла бы свою обоснованность, если бы эти подходы не выявили ни значимой пространственной локализации, ни специфичных для частиц химических эффектов. Цель состоит не в том, чтобы утверждать, что полярные сияния создали жизнь, а в том, чтобы спросить, имеет ли значение заброшенная структура окружающей среды.
|
|
|
|
От зарождения жизни к искусственной жизни
|
|
|
|
Эта точка зрения может также послужить основой для исследований искусственной жизни и протоклеток. Химическая организация, подобная жизни, может потребовать не только правильных молекул: она также может зависеть от локализованной энергии, пространственных градиентов, границ раздела, повторяющейся концентрации и непрерывного обмена веществом.
|
|
|
|
Под эмерджентностью я подразумеваю организованное, похожее на жизнь поведение, возникающее в результате взаимодействия между компонентами, которые сами по себе не являются живыми. Реконструкция структур окружающей среды в лабораторных условиях могла бы помочь исследовать этот процесс. Мы можем задаться вопросом не только о том, какие молекулы необходимы для жизни, но и о том, какие условия позволяют им организовываться, поддерживаться и постепенно трансформироваться.
|
|
|
|
Для меня это более общий урок гипотезы о поясе полярных сияний. Планетарные структуры могут влиять не только на то, доступна ли химическая энергия, но и на то, где и как протекает химическая эволюция. Солнце, магнитное поле, атмосфера, лед и химический состав: ничто само по себе не объясняет происхождение жизни. Важно то, как они были связаны.
|
|
|
|
Источник
|
