Kiedy na Ziemi pojawiły się warunki sprzyjające powstaniu życia?

Powstanie życia na Ziemi mogło być możliwe już około 4,33 miliarda lat temu. Nowe symulacje pokazują, że w tym okresie część skorupy planety była wystarczająco stabilna, a uderzenia asteroid, komet i planetozymali nadal sprzyjały powstawaniu systemów hydrotermalnych.

Naukowcy wskazali, kiedy Ziemia zaczęła sprzyjać powstaniu życia

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Olega Abramova, starszego naukowca z Planetary Science Institute, odkryli, że warunki panujące na młodej Ziemi mogły stać się wystarczająco stabilne, by umożliwić zachodzenie procesów chemicznych związanych z powstaniem życia już około 4,33 miliarda lat temu. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”.

Geolodzy wykorzystali trójwymiarowy model komputerowy do odtworzenia wpływu uderzeń asteroid, komet i planetozymali na temperaturę skorupy Ziemi między 4,5 a 3,5 miliarda lat temu. Wyniki sugerują, że częste kolizje prowadzące do globalnej sterylizacji środowiska utrzymywały się do około 4,4 miliarda lat temu. Później zaczęły pojawiać się bardziej stabilne warunki, w których RNA i inne cząsteczki ważne dla powstania życia mogły przetrwać.

Naukowcy zastosowali inne podejście niż we wcześniejszych badaniach, w których wykorzystywano między innymi modelowanie geochemiczne, analizy biomolekularne oraz modele wczesnej atmosfery Ziemi. Stworzyli model bombardowania naszej planety, wykorzystując dane obserwacyjne, takie jak zapis kraterów na Księżycu oraz obecność w górnym płaszczu Ziemi pierwiastków wykazujących szczególną tendencję do łączenia się z żelazem. W analizie uwzględniono zarówno negatywne skutki uderzeń, takie jak rozpad kluczowych biomolekuł pod wpływem wysokiej temperatury, jak i ich konsekwencje sprzyjające powstaniu życia, w tym tworzenie się systemów hydrotermalnych.

Wyniki wskazały, że Ziemia stała się miejscem sprzyjającym wczesnym etapom powstawania życia między 4,4 a 4,3 miliarda lat temu, a najbardziej korzystne warunki panowały około 4,33 miliarda lat temu.

Powstanie życia na Ziemi wymagało odpowiednio długiego okresu stabilności

Badacze skupili się przede wszystkim na hipotezie „świata RNA”, zakładającej istnienie wczesnego etapu rozwoju życia, zanim DNA zaczęło pełnić swoją obecną funkcję. RNA może przechowywać informację genetyczną, a jednocześnie uczestniczyć w reakcjach chemicznych potrzebnych do jego powielania. Z tego powodu jest jednym z głównych kandydatów na podstawę pierwotnego układu biologicznego. Aby „świat RNA” mógł się rozwinąć, cząsteczki potrzebowały czasu, by powstać, przetrwać i wzajemnie na siebie oddziaływać.

Wczesna Ziemia nie zapewniała takich warunków. Planeta była nieustannie bombardowana przez asteroidy, komety i pozostałe po jej powstawaniu planetozymale. Ich uderzenia powodowały gwałtowne wzrosty temperatury i tworzyły środowisko nieprzyjazne dla delikatnych cząsteczek. Nowy model pokazuje, jak sytuacja zmieniała się wraz ze stopniowym słabnięciem bombardowania.

Naukowcy przeprowadzili symulacje pokazujące, jak uderzenia wpływały na temperaturę skorupy Ziemi w ciągu miliarda lat. Następnie porównali uzyskane temperatury z wartościami, przy których RNA i inne cząsteczki ważne dla życia mogą zachować stabilność. Uwzględnili także różne szacunki dotyczące ilości materii, która w tym okresie uderzała w naszą planetę. Symulacje wskazały na wyraźną zmianę około 4,4 miliarda lat temu.

Wcześniej obszar skorupy, który zdążył się ochłodzić na tyle, by mogły w nim zachodzić procesy chemiczne poprzedzające powstanie życia, mógł zostać ponownie silnie ogrzany przez kolejne uderzenie. Około 4,4 miliarda lat temu model wskazuje na pojawienie się w górnej części skorupy Ziemi obszarów, które po ochłodzeniu nie były już ponownie ogrzewane powyżej przyjętego w badaniu progu temperatury.

Geolodzy określili te obszary jako miejsca, które nie ulegały już sterylizacji. Wraz ze słabnięciem bombardowania Ziemi ich udział stopniowo się zwiększał. Około 4,25 miliarda lat temu zajmowały już ponad połowę objętości skorupy uwzględnionej w modelu.

Uderzenia mogły tworzyć środowiska sprzyjające życiu

Procesy chemiczne poprzedzające powstanie życia wymagały utrzymujących się przez dłuższy czas stabilnych temperatur, a nie jedynie krótkich okresów ochłodzenia między kolejnymi uderzeniami. Przed około 4,4 miliarda lat temu obszar, który zdążył się ochłodzić na tyle, by takie procesy mogły zachodzić, mógł zostać ponownie ogrzany przez kolejne uderzenie. W efekcie cały proces musiał zaczynać się od nowa. Gdy pojawiły się obszary, które nie ulegały już sterylizacji, część górnej skorupy pozostawała od tego momentu poniżej przyjętego w badaniu progu temperatury.

Jak opisują badacze, uderzenia nie musiały być wyłącznie przeszkodą w rozwoju „świata RNA”. Pozostawiały po sobie duże ilości ciepła. Woda przepływająca przez rozgrzane i popękane skały mogła prowadzić do powstawania systemów hydrotermalnych, w których występowały jednocześnie woda, ciepło i źródła energii chemicznej. Od dawna naukowcy uważają je za możliwe miejsca zachodzenia reakcji chemicznych, które poprzedziły powstanie życia.

W historii młodej Ziemi pojawił się więc okres, w którym oba te czynniki występowały jednocześnie. Około 4,4 miliarda lat temu uderzenia coraz rzadziej prowadziły do globalnej sterylizacji planety, ale wciąż dostarczały energii potrzebnej do powstawania środowisk hydrotermalnych. Z kolei około 4,3 miliarda lat temu symulacje wskazują na szczególnie dużą liczbę połączonych ze sobą systemów hydrotermalnych powstałych w następstwie uderzeń.

RNA potrzebowało stabilnego środowiska

Badacze wskazują, że cząsteczki RNA potrzebowały odpowiednio długiego okresu stabilności, aby mogły powstać, przetrwać i wzajemnie na siebie oddziaływać. Stopniowe słabnięcie bombardowania Ziemi zwiększało udział obszarów skorupy, które nie były już ponownie ogrzewane powyżej przyjętego w badaniu progu temperatury.

4,33 miliarda lat temu warunki zaczęły sprzyjać życiu

Około 4,33 miliarda lat temu warunki na Ziemi stały się wystarczająco stabilne, aby mogły się utrzymać, a jednocześnie uderzenia wciąż prowadziły do powstawania licznych systemów hydrotermalnych. Naukowcy wskazują ten okres jako szczególnie sprzyjający rozwojowi warunków potrzebnych do powstania życia.

Emil Gołoś