Пребиотическая атмосфера — это вторая атмосфера, присутствующая на Земле до сегодняшней биотической, богатой кислородом третьей атмосферы и после первой атмосферы (которая состояла в основном из водяного пара и простых гидридов) формирования Земли. Формирование Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад [2] включало многочисленные столкновения и слияние планетарных зародышей. [3] За этим последовал период <100 миллионов лет на Земле, когда на Земле присутствовал океан магмы , атмосфера состояла в основном из пара, а температура поверхности достигала 8000 К (14 000 °F). [4] Затем поверхность Земли остыла, и атмосфера стабилизировалась, образовав пребиотическую атмосферу. Условия окружающей среды в этот период времени сильно отличались от сегодняшних: Солнце в целом было примерно на 30% тусклее , но ярче в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах, [5] [6] существовал жидкий океан , неизвестно, существовали ли континенты. но океанические острова, вероятно, были, [7] [8] внутренняя химия Земли (и, следовательно, вулканическая активность) была другой, [9] и был больший поток ударных тел (например, комет и астероидов ), ударяющихся о поверхность Земли. [10]
Исследования пытались определить состав и природу пребиотической атмосферы путем анализа геохимических данных и использования теоретических моделей, которые включают наши знания о ранней среде Земли. Эти исследования показывают, что пребиотическая атмосфера, вероятно, содержала больше CO 2 , чем современная Земля, содержала N 2 в два раза по сравнению с современным уровнем и имела исчезающе низкое количество O 2 . [9] Считается, что химический состав атмосферы был « слабо восстановительным », при этом восстановленные газы, такие как CH 4 , NH 3 и H 2 , присутствовали в небольших количествах. [9] Состав пребиотической атмосферы, вероятно, периодически менялся из-за воздействия ударников, что могло временно привести к «сильному уменьшению» атмосферы. [11]
Ограничение состава пребиотической атмосферы является ключом к пониманию происхождения жизни , поскольку оно может способствовать или подавлять определенные химические реакции на поверхности Земли, которые, как полагают, важны для формирования первого живого организма. Жизнь на Земле зародилась и начала изменять атмосферу по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад, а возможно, и намного раньше, [12] что знаменует собой конец пребиотической атмосферы.
Считается, что Земля образовалась более 4,5 миллиардов лет назад в результате аккреции материала из солнечной туманности . [2] Луна Земли образовалась в результате столкновения, образовавшего Луну удара, который, как полагают, произошел через 30-50 миллионов лет после образования Земли. [3] В результате этого столкновения объект размером с Марс под названием Тейя столкнулся с примитивной Землей, а остатки столкновения образовали Луну. [13] Столкновение, вероятно, дало достаточно энергии, чтобы расплавить большую часть мантии Земли и испарить примерно 20% ее, нагрев поверхность Земли до 8000 К (~ 14 000 °F). [4] Поверхность Земли после удара, образовавшего Луну, характеризовалась высокими температурами (~ 2500 К), атмосферой, состоящей из паров и пара горных пород, и океаном магмы. [3] Когда Земля остыла, излучая избыточную энергию от удара, океан магмы затвердел, и летучие вещества распределились между мантией и атмосферой, пока не было достигнуто стабильное состояние. По оценкам, примерно через 10-20 миллионов лет после удара, образовавшего Луну, около 4,4 миллиарда лет назад, Земля перешла из горячей среды после удара в потенциально пригодную для жизни среду с переработкой земной коры, хотя и отличную от современной тектоники плит . [3] Атмосфера, существовавшая с этого момента в истории Земли до зарождения жизни, называется пребиотической атмосферой.
Неизвестно, когда именно зародилась жизнь. Самым старым прямым свидетельствам существования жизни на Земле около 3,5 миллиардов лет, например, ископаемые строматолиты с Северного полюса в Западной Австралии. [14] Предполагаемым свидетельствам существования жизни на Земле в более древние времена (например, 3,8 и 4,1 миллиарда лет назад [15] [16] ) не хватает дополнительного контекста, необходимого для утверждения о том, что она действительно имеет биотическое происхождение, поэтому они до сих пор обсуждаются. [17] Таким образом, пребиотическая атмосфера завершилась 3,5 миллиарда лет назад или раньше, что привело к раннему архейскому эону или к середине-позднему гадейскому эону. [18]
Знание факторов окружающей среды, действующих на ранней Земле, необходимо для исследования пребиотической атмосферы. Многое из того, что мы знаем о пребиотической среде, происходит от цирконов – кристаллов силиката циркония (ZrSiO 4 ). [3] [19] Цирконы полезны, потому что они фиксируют физические и химические процессы, происходящие на пребиотической Земле во время их формирования, и они особенно долговечны. Большинство цирконов, датируемых добиотическим периодом времени, обнаружено в формации Джек-Хиллс в Западной Австралии, [7] [20] , но они также встречаются и в других местах. [7] Геохимические данные нескольких пребиотических цирконов показывают изотопные доказательства химических изменений, вызванных жидкой водой, указывая на то, что пребиотическая среда имела жидкий океан и температуру поверхности, которая не вызывала ее замерзания или кипения. [7] Неизвестно, когда именно континенты возникли над этим жидким океаном. [8] Это добавляет неопределенности во взаимодействие между пребиотической поверхностью Земли и атмосферой, поскольку наличие обнаженной земли определяет скорость процессов выветривания и обеспечивает локальную среду, которая может быть необходима для формирования жизни. [21] Однако вполне вероятно, что были океанические острова. Кроме того, степень окисления мантии Земли, вероятно, в ранние времена была другой, что меняет потоки химических веществ, попадающих в атмосферу в результате вулканического выделения газа. [9]
Факторы окружающей среды из других частей Солнечной системы также повлияли на пребиотическую Землю. Во время формирования Земли Солнце в целом было примерно на 30% тусклее . [5] Это означает, что для предотвращения замерзания Земли, возможно, требовались более высокие уровни парниковых газов , чем сейчас. Несмотря на общее сокращение энергии, поступающей от Солнца, раннее Солнце излучало больше излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском режимах, чем сейчас. [6] Это указывает на то, что в ранней атмосфере Земли могли доминировать различные фотохимические реакции, что имеет значение для глобальной химии атмосферы и образования важных соединений, которые могли привести к зарождению жизни. [21] Наконец, в ранней Солнечной системе наблюдался значительно более высокий поток объектов, сталкивавшихся с Землей, таких как кометы и астероиды . [10] [22] Эти ударники, возможно, играли важную роль в добиотической атмосфере, поскольку они могут доставлять материал в атмосферу, выбрасывать материал из атмосферы и изменять химическую природу атмосферы после своего прибытия. [21]
Точный состав пребиотической атмосферы неизвестен из-за отсутствия геохимических данных за тот период времени. Текущие исследования обычно показывают, что пребиотическая атмосфера была «слабо редуцированной», с повышенными уровнями CO 2 , N 2 в пределах 2 раз от современного уровня, незначительными количествами O 2 и большим количеством водородосодержащих газов, чем на современной Земле ( см. ниже). В небольших количествах присутствовали также благородные газы и фотохимические продукты доминирующих видов. [23] [24] [25]
Углекислый газ (CO 2 ) является важным компонентом пребиотической атмосферы, поскольку, будучи парниковым газом , он сильно влияет на температуру поверхности; кроме того, он растворяется в воде и может изменить pH океана. [26] Обилие углекислого газа в пребиотической атмосфере не ограничено напрямую геохимическими данными и должно быть выведено. [9]
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что карбонатно-силикатный цикл регулирует содержание углекислого газа в атмосфере Земли на временной шкале около 1 миллиона лет. Карбонатно-силикатный цикл представляет собой петлю отрицательной обратной связи , которая модулирует температуру поверхности Земли путем распределения углерода между атмосферой и мантией посредством нескольких поверхностных процессов. [27] Было высказано предположение, что процессы карбонатно-силикатного цикла приведут к повышению уровня CO 2 в пребиотической атмосфере, чтобы компенсировать более низкий приток энергии от слабого молодого Солнца. [28] [29] Этот механизм можно использовать для оценки содержания пребиотического CO 2 , но он является дискуссионным и неопределенным. [30] Неопределенность вызвана в первую очередь недостатком знаний о площади обнаженной суши, химическом составе и структуре ранней Земли, скорости обратного выветривания и выветривания морского дна, а также увеличенном потоке ударных частиц. [31] Одно обширное исследование по моделированию показывает, что содержание CO 2 в добиотической атмосфере было примерно в 20 раз выше, чем современное доиндустриальное значение (280 частей на миллион), что привело бы к тому, что глобальная средняя приземная температура составила бы около 259 К (6,5 °F) и образовался океан. pH около 7,9. [31] Это согласуется с другими исследованиями, которые в целом приходят к выводу, что пребиотическое содержание CO 2 в атмосфере было выше, чем современное, [9] [29] [28] [32] , хотя глобальная приземная температура все еще может быть значительно ниже из-за слабого молодого Солнца.
Азот в форме N 2 составляет 78% объема современной атмосферы Земли, что делает его наиболее распространенным газом. [33] N 2 обычно считается фоновым газом в атмосфере Земли, поскольку он относительно нереакционноспособен из-за прочности тройной связи. [9] Несмотря на это, атмосферный N 2 был, по крайней мере, умеренно важен для пребиотической среды, поскольку он влияет на климат посредством рэлеевского рассеяния и, возможно, был более фотохимически активным под усиленным рентгеновским и ультрафиолетовым излучением молодого Солнца. [9] N 2 также, вероятно, важен для синтеза соединений, которые, как полагают, имеют решающее значение для возникновения жизни, таких как цианистый водород (HCN) и аминокислоты, полученные из HCN. [34] Исследования пытались ограничить содержание N 2 в пребиотической атмосфере с помощью теоретических оценок, моделей и геологических данных. Эти исследования привели к ряду возможных ограничений на содержание пребиотика N 2 . Например, недавнее исследование по моделированию, которое включает выбросы из атмосферы , химию магматического океана и эволюцию внутренней химии Земли, предполагает, что содержание N 2 в атмосфере , вероятно, составляло менее половины современного значения. [35] Однако это исследование вписывается в более широкую работу, которая обычно ограничивает содержание пребиотика N 2 на уровне от половины до двух раз от нынешнего уровня. [35] [36] [37] [38]
Кислород в форме O 2 составляет 21% современной атмосферы Земли по объему. [39] Современный атмосферный O 2 Земли почти полностью обусловлен биологией (например, он производится в ходе кислородного фотосинтеза ), поэтому в пребиотической атмосфере его было не так много. [40] [9] Это благоприятно для возникновения жизни, поскольку O 2 будет окислять органические соединения, необходимые для возникновения жизни. [41] Содержание O 2 в пребиотической атмосфере можно теоретически рассчитать с помощью моделей химии атмосферы. [9] [42] [43] [44] [45] Основным источником O 2 в этих моделях является распад и последующие химические реакции других кислородсодержащих соединений. Попадающие солнечные фотоны или молнии могут разрушать молекулы CO 2 и H 2 O, освобождая атомы кислорода и другие радикалы (т.е. высокореактивные газы в атмосфере). Свободный кислород затем может объединяться в молекулы O 2 несколькими химическими путями. Скорость образования O 2 в этом процессе определяется приходящим солнечным потоком, частотой молний и содержанием других атмосферных газов, которые принимают участие в химических реакциях (например, CO 2 , H 2 O, OH). , а также их вертикальное распределение. O 2 удаляется из атмосферы посредством фотохимических реакций, в которых в основном участвуют H 2 и CO вблизи поверхности. Самая важная из этих реакций начинается, когда H 2 расщепляется на два атома H прибывающими солнечными фотонами. Свободный H затем реагирует с O 2 и в конечном итоге образует H 2 O, что приводит к чистому удалению O 2 и чистому увеличению H 2 O. Модели, моделирующие все эти химические реакции в потенциальной пребиотической атмосфере, показывают, что чрезвычайно малая вероятно содержание O 2 в атмосфере. [9] [42] [43] [44] [45] В одной из таких моделей, в которой приняты значения содержания и источников CO 2 и H 2 , объемное соотношение смешивания O 2 рассчитывается в пределах от 10 -18 до 10 -11. у поверхности и до 10 −4 в верхних слоях атмосферы. [9]
Содержание водорода в пребиотической атмосфере можно рассматривать с точки зрения окислительно-восстановительной (окислительно-восстановительной) химии . Современная атмосфера является окислительной из-за большого объема атмосферного O 2 . В окислительной атмосфере большинство атомов, образующих атмосферные соединения (например, C), будут находиться в окисленной форме (например, CO 2 ), а не в восстановленной форме (например, CH 4 ). В восстановительной атмосфере больше видов будет находиться в восстановленных, обычно водородсодержащих формах. Поскольку в пребиотической атмосфере было очень мало O 2 , обычно считается, что пребиотическая атмосфера была «слабо восстановлена» [9] [45] [11] – хотя некоторые утверждают, что атмосфера была «сильно восстановлена». [46] [47] В слабо восстановленной атмосфере присутствуют восстановленные газы (например, CH 4 и NH 3 ) и окисленные газы (например, CO 2 ). Фактическое содержание H 2 в пребиотической атмосфере было оценено путем проведения расчетов, которые учитывают скорость, с которой H 2 вулканически выделяется на поверхность, и скорость, с которой он уходит в космос . Один из этих недавних расчетов показывает, что содержание H 2 в пребиотической атмосфере составляло около 400 частей на миллион, но могло быть значительно выше, если бы источник вулканического выделения газа был усилен или утечка из атмосферы была менее эффективной, чем ожидалось. [9] Численность других восстановленных видов в атмосфере затем можно рассчитать с помощью моделей химии атмосферы.
Было высказано предположение, что большой поток ударников в ранней Солнечной системе мог существенно изменить природу пребиотической атмосферы. Ожидается, что в течение периода существования пребиотической атмосферы могло произойти несколько ударов астероидов, достаточно сильных, чтобы испарить океаны и растопить поверхность Земли, а меньшие удары ожидаются в еще большем количестве. [48] [3] [49] Эти воздействия значительно изменили бы химический состав пребиотической атмосферы, нагрев ее, выбросив часть ее в космос и доставив новый химический материал. Исследования атмосфер после удара показывают, что они привели бы к сильному сокращению пребиотической атмосферы в течение определенного периода времени после сильного удара. [3] [11] [50] В среднем, ударники ранней Солнечной системы содержали сильно восстановленные минералы (например, металлическое железо) и были обогащены восстановленными соединениями, которые легко попадают в атмосферу в виде газа. [11] В этих сильно восстановленных послеударных атмосферах содержание восстановленных газов, таких как CH 4 , HCN и, возможно, NH 3 , будет значительно выше . По прогнозам, сокращение атмосферы после удара после конденсации океана продлится до десятков миллионов лет, прежде чем вернуться в фоновое состояние. [11]
Пребиотическая атмосфера может поставлять химические ингредиенты и облегчать условия окружающей среды, которые способствуют синтезу органических соединений, участвующих в зарождении жизни. Например, в эксперименте Миллера-Юри были синтезированы потенциальные соединения, участвующие в зарождении жизни . В этом эксперименте необходимо сделать предположения о том, какие газы присутствовали в пребиотической атмосфере. [51] Предлагаемые важные ингредиенты для возникновения жизни включают (но не ограничиваются ими) метан (CH 4 ), аммиак (NH 3 ), фосфат, цианистый водород (HCN), различные органические вещества и различные фотохимические побочные продукты. [52] [53] [54] Состав атмосферы будет влиять на стабильность и производство этих соединений на поверхности Земли. Например, «слабовосстановленная» пребиотическая атмосфера может производить некоторые, но не все, из этих ингредиентов в результате реакций с молнией. [9] С другой стороны, производство и стабильность происхождения ингредиентов жизни в сильно восстановленной атмосфере значительно улучшаются, что делает атмосферу после удара особенно актуальной. [11] Предполагается также, что условия, необходимые для зарождения жизни, могли возникнуть локально, в системе, изолированной от атмосферы (например, в гидротермальном источнике ). [55] Однако такие соединения, как цианиды, используемые для создания нуклеиновых оснований РНК , будут слишком разбавлены в океане, в отличие от озер на суше. [56] Как только жизнь зародилась и начала взаимодействовать с атмосферой, пребиотическая атмосфера по определению превратилась в постбиотическую атмосферу.