9.2 C
Gdańsk
niedziela, 25 lutego, 2024

Chemia prebiotyczna piorunów na wyspie wulkanicznej i pochodzenie życia we wczesnym eonie Hadeanu / Jeffrey L. Bada

0
42
Wczesny eon Hadean (>4Ga) mógł charakteryzować się okresowym lodem globalnego oceanu i ograniczonym lądem podwodnym, co mogło powodować rzadkie występowanie piorunów. Ta rzadkość występowania piorunów mogła ograniczyć syntezę związków prebiotycznych niezbędnych do powstania życia. Przedstawiam tutaj hipotezę, że pioruny związane z erupcjami wysp wulkanicznych stworzyły ogniska powstawania składników prebiotycznych i ostatecznie powstania życia.

Piorun wulkaniczny

Podczas erupcji wulkanów w chmurach pyłu często powstają błyskawice. Zgłoszono to podczas prawie 400 erupcji 152 wulkanów 1. Błyskawice wulkaniczne dają spektakularne pokazy, które zostały odnotowane w całej historii. Gaius Plinius Caecilius Secundus (Pliniusz Młodszy) w 79 roku n.e. opisał „długie ogniste kształty, podobne do błyskawic, tylko większe”, opisując erupcję Wezuwiusza, która zniszczyła Pompeje 2 . 26 sierpnia 1883 r. kilka żaglowców znajdowało się w pobliżu wulkanu na Krakatau (Indonezja), kiedy wybuchł on w wyniku jednej z najgwałtowniejszych erupcji ery nowożytnej 3 . Dowódca Sir Robert Sale zanotował w dzienniku okrętowym „straszna czarna chmura została rozdarta przez tryskające płomienie i wielkie języki ognia niczym bardzo powiększona błyskawica”. W 1985 roku amerykańska ikona pop-artu, Andy Warhol, spędził czas w Neapolu, gdzie stworzył 18 obrazów przedstawiających erupcję Wezuwiusza, przedstawiającą intensywną błyskawicę 4.
Niedawnym przykładem5 wybuchowej erupcji na wyspie wulkanicznej i związanej z nią intensywnej błyskawicy jest masowa erupcja Pliniusza podpowierzchniowego wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (Indonezja) (~150 m poniżej poziomu morza), która miała miejsce 15 stycznia 2022 r. Ta wybuchowa erupcja uzyskała co najmniej 5 punktów w indeksie wybuchowości wulkanu i była słyszalna w odległości do 10 000 km. Wysłał popiół, gazy i odparowaną wodę morską w postaci pióropusza sięgającego ponad 50 km w głąb mezosfery. Komponenty te stanowiły idealną kombinację składników potrzebnych do elektryfikacji pióropusza, a tym samym wytworzenia pioruna 6 . Rezultatem było oszałamiające 25 508 uderzeń pioruna w ciągu 5 minut (85/s), co stanowiło 170% całkowitej liczby uderzeń piorunów na Ziemię w tym czasie 5.

Rzadkość błyskawicy nad oceanem

Obecnie na Ziemi7 stosunek błyskawicy do lądu i oceanu wynosi 10/1. Niższy poziom wyładowań atmosferycznych nad oceanami jest spowodowany wprowadzaniem do chmur gruboziarnistych aerozoli morskich (>1 µm) w postaci mgły morskiej, w przeciwieństwie do drobniejszych aerozoli (<1 µm) wprowadzanych na ląd 8 . Drobniejsze aerozole nad lądem sprzyjają większej elektryfikacji chmur; rezultatem netto jest więcej błyskawic nad lądem.
Uważa się, że błyskawica odegrała ważną rolę w syntezie związków organicznych niezbędnych do powstania życia 9 . Chociaż zachowało się niewiele faktycznych dowodów na warunki powierzchniowe Hadeanu, istnieją pewne sugestie dotyczące scenariusza „wodnego świata”, w którym ilość odsłoniętego terenu pod ziemią wynosiła prawdopodobnie tylko ~12% w porównaniu z dzisiejszymi 29% 10. Co więcej, te spekulatywne wczesne oceany mogły być okresowo pokrywane lodem 11, tworząc okresowe warunki ziemskie typu „kula śnieżna”. Obecnie błyskawice w regionach polarnych Ziemi praktycznie nie występują 12. Te połączone czynniki mają ważne potencjalne implikacje dotyczące wyładowań atmosferycznych na Ziemi Hadejskiej. Czy przy niewielkiej liczbie odsłoniętych podpowietrznych obszarów kontynentalnych i okresowo pokrytym lodem wczesnym oceanie ilość wyładowań atmosferycznych byłaby rzadka?
Rodzi to zagadkę: czy w ramach tego scenariusza produkcja prebiotycznych związków organicznych uznawanych za kluczowe dla powstania życia zostałaby ograniczona?

Hipoteza: Pioruny na wyspie wulkanicznej Hadean Eon odegrały kluczową rolę w produkcji prebiotycznych związków organicznych, co z kolei dało początek życiu

Ze względu na okresowo pokrytą lodem Ziemię i ograniczone obszary pod powierzchnią lądu, częstotliwość wyładowań atmosferycznych mogła zostać znacznie zmniejszona w porównaniu z sytuacją obecną. Jednakże zwiększona aktywność magmowa związana z pióropuszem na młodej Ziemi 13 sugeruje, że wulkanizm gorących punktów był obecny na wczesnej Ziemi Hadean, z wyspami wulkanicznymi wystającymi ponad przypuszczalną powierzchnię oceanu/lodu. Dlatego gorące wyspy wulkaniczne mogły stanowić ważne źródło wyładowań atmosferycznych, a z kolei ognisko wytwarzania składników i elementów budulcowych niezbędnych do powstania życia 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 (ryc.  1 ).
Ryc. 1: Schemat hipotetycznej lokalizacji wyspy wulkanicznej Hadean, wybuchającej przez lód, generującej błyskawice i późniejszą chemię prebiotyczną.
rysunek 1
piorun wulkaniczny wytwarza odczynniki prebiotyczne; b Kondensacja i deszcz z produktów organicznych; c Spływ, koncentracja w stawach, cykle ciepło/suszenie sprzyjają reakcjom; d Działanie pływowe, w przypadku którego skorupa lodowa jest nieciągła i wpływa do oceanu pod lodem; e tratwy pumeksowe przewożące zaadsorbowane odczynniki; f Dalsza obróbka w warunkach hydrotermalnych z wytworzeniem bardziej złożonych związków organicznych. Zdjęcie autorstwa Samuela Royle’a.
Obraz w pełnym rozmiarze
Wybuchające wulkany wyspiarskie, którym towarzyszą intensywne błyskawice, wyrzuciłyby wodę i gazy do okresowo redukującej atmosfery 18 , zapewniając idealne warunki do syntezy prebiotyków. Przy zredukowanych gazach i wyładowaniach atmosferycznych mogły powstać ważne odczynniki prebiotyczne, takie jak cyjanowodór, fosforek, aldehydy i ketony, a także niektóre związki złożone 9 .
Przeprowadzono pewne badania laboratoryjne w celu zbadania potencjału syntezy prebiotyków przez wyładowania wulkaniczne. Wersja aparatu Millera, w której chmurę pary wodnej wstrzyknięto do iskry w obecności zredukowanych gazów, dała bogatą różnorodność aminokwasów 19 . Kolejny eksperyment przeprowadzono przy użyciu symulatora wyładowań wulkanicznych z wypłukanym popiołem wulkanicznym zebranym podczas erupcji wulkanu Sakurajima w Japonii w 2013 r., wraz z różnymi mieszaninami gazów redukujących 16 , 17 . Wstępne wyniki wykazały, że w tym doświadczeniu wytworzono pewne aminokwasy (glicynę, prawie racemiczną D- i L-alaninę, β-alaninę). Te połączone eksperymenty potwierdzają hipotezę, że błyskawice wulkaniczne odegrały integralną rolę we wczesnej syntezie prebiotyków Hadean.
Woda odprowadzana z erupcji doprowadziłaby do powstania jezior, basenów i stawów na zboczach wulkanu 16 , 20 . Ponadto wzdłuż linii brzegowej wulkanu/ocean istniałyby baseny ze skał wulkanicznych, w których mogłaby gromadzić się i okresowo wypłukiwać woda morska i deszczowa. W tych różnych środowiskach wodnych temperatury mogą zmieniać się pomiędzy chłodnymi i ciepłymi warunkami, w zależności od dopływu ciepła geotermalnego i warunków meteorologicznych. Wykazano , że te cykliczne zmiany temperatury, wraz z cyklami parowania na mokro/sucho 21 , 22 , sprzyjają ważnym reakcjom polimeryzacji prebiotycznej aminokwasów i kwasów nukleinowych.
Erupcje wybuchowe mogą wytworzyć obfite ilości pumeksu. Na przykład w wyniku erupcji bezimiennego wulkanu w archipelagu Hunga Tonga-Hung-a Ha’apai w dniu 7 sierpnia 2019 r. wytworzyły się ogromne ilości pumeksu 23 , który szybko skoagulował, tworząc pływającą tratwę pumeksową o powierzchni 195 km 2 . Dowodów na obecność pumeksu na wczesnej Ziemi dostarcza jego występowanie w bazalcie 3460 Ma Apex w Australii Zachodniej24 . Ze względu na swoją wysoce porowatą strukturę można spekulować, że pumeks Hadean mógł wchłonąć odczynniki prebiotyczne i inne produkty 25 związane z erupcjami wysp wulkanicznych, rozpraszając je po oceanach 26 i zasiewając nowo powstałe kontynenty.
W Hadeanie procesy transportowe wykorzystujące pumeks mogły zaowocować nowo powstającymi kontynentami. Mogą tam zachodzić okresowe cykle temperatury i parowania mokre/suche, umożliwiające dalsze przetwarzanie prebiotyczne i ewolucję molekularną. W miarę jak produkty tych reakcji stawały się coraz bardziej złożone, w końcu przypadkowo powstał „samopodtrzymujący się układ chemiczny zdolny do ewolucji darwinowskiej 27 . Oznaczałoby to zarówno początek ewolucji, jak i pojawienie się życia.
Zgodnie z tą hipotezą erupcje wysp wulkanicznych na prymitywnej Ziemi wraz z towarzyszącymi im intensywnymi błyskawicami oraz pumeksem mogły odegrać główną rolę w chemii prebiotycznej wczesnego Hadeanu, a nawet być może w pochodzeniu życia. Nie wiadomo, czy rzeczywiście tak się stało, ze względu na niewielką liczbę zapisów skalnych sięgających tak odległych czasów, przy czym hipotezy Hadeana dotyczące „Wodnego świata” lub „Kule śnieżnej” są prawdopodobnie najbardziej niepewne 28 .
Czy, gdzie i kiedy miało miejsce pojawienie się życia, w tym scenariuszu konieczne jest dalsze udoskonalenie leżących u jego podstaw mechanizmów i procesów. Ale jedno jest pewne: grzmot jest dobry, grzmot robi wrażenie; ale to błyskawica wykonuje tę pracę. – Mark Twain.

Bibliografia

  1. McNutt, SR, Thomas, RJ Piorun wulkaniczny. Encyklopedia wulkanów 1059–1067 (Academic Press, 2015).

  2. Gilman, B. i Moser, B. Ashen Sky: Listy Pliniusza Młodszego o erupcji Wezuwiusza: List 3.11 s. 30 (Publikacje Getty’ego, 1970).

  3. Judd, JW i in. glin. Erupcja Kakatoa: i późniejsze zjawiska (Trübner & Company, 1888).

  4. Sigurdsson, H. Wulkany w sztuce. W The Encyclopedia of Volcanoes, s. 1321–134 (Academic Press, 2015).

  5. Nickolaenko, Alexander P., Yu Schekotov, Alexander, Hayakawa, Masashi, Romero, Renato i Izutsu, Jun Elektromagnetyczne objawy erupcji Tonga w paśmie rezonansowym Schumanna. J. Atmos. Sol.Terr. Fiz. 237 , 105897 (2022).

    Artykuł Google Scholar

  6. Cimarelli, C. i in. Elektryfikacja wulkaniczna: najnowsze osiągnięcia i perspektywy na przyszłość. Byk. Wulkan. 84 , 1–10 (2022).

    Artykuł REKLAMY Google Scholar

  7. Christian, HJ i in. glin. Globalna częstotliwość i rozkład wyładowań atmosferycznych obserwowane z kosmosu za pomocą optycznego detektora stanów przejściowych. J. Geofizyka. Rozdzielczość Bankomat. 108 (D1), ACL-4 (2003).

  8. Pan, Z. i in. Gruba bryza morska powstrzymuje błyskawice. Nat. Komunikator 13 , 1–7 (2022).

    Artykuł REKLAMY Google Scholar

  9. Bada, JL Nowe spojrzenie na chemię prebiotyczną z eksperymentów Stanleya Millera z wyładowaniami iskrowymi. Chem. Towarzystwo Obj. 42 , 2186–2196 (2013).

    Artykuł CAS PubMed Google Scholar

  10. Korenaga, J. Czy na wczesnej Ziemi był ląd? Życie https://doi.org/10.3390/life11111142 (2021).

  11. Bada, JL, Bigham, C. i Miller, SL Topnienie uderzeniowe zamarzniętych oceanów na wczesnej Ziemi: implikacje dla pochodzenia życia. Proc. Nat. Acad. Nauka. 91 , 1248–1250 (1994).

    Artykuł REKLAMY CAS PubMed Centrala PubMedu Google Scholar

  12. Holzworth, RH i in. Błyskawica w Arktyce. Geofizyka. Rozdzielczość Łotysz. 48 , e2020GL091366 (2021).

    Artykuł REKLAMY Google Scholar

  13. Nebel, O., Rapp, RP i Yaxley, GM Rola detrytycznych cyrkonów w badaniach skorupy Hadean. Lithos 190 , 313–327 (2014).

    Artykuł REKLAMY Google Scholar

  14. Huber, C. i Wächtershäuser, G. Możliwe α-hydroksy i α-aminokwasy Hadean, wulkaniczne warunki pochodzenia życia. Nauka 314 , 630–632 (2006).

    Artykuł REKLAMY CAS PubMed Google Scholar

  15. Fox, S. i Strasdeit, H. Ewolucja chemiczna na pierwotnych wyspach wulkanicznych. EUR. Planeta. Nauka. Kongr. Streszczenie 5 , 358 (2010).

  16. Springsklee, C. i in. Synteza prebiotyków w wyładowaniach wulkanicznych: w atmosferze piorunów, popiołów porowatych i gazów wulkanicznych. W Streszczeniach Konferencji Zgromadzenia Ogólnego EGU, s. 10-10. 8328 (2020).

  17. Bada, JL i in. Laboratorium symulowało wyładowania wulkaniczne i syntezę prebiotyków. XVIII I Int. Konf. Oryg. Życie 1967 , 4102 (2017).

    REKLAMY Google Scholar

  18. Kasting, JF Skład atmosfery Hadean – wczesna Ziemia Archaikowa: znaczenie CO. Geol. Towarzystwo Jestem. Spec. Papka. 504 , 19–28 (2014).

    Google Scholar

  19. Johnsona, AP i in. Eksperyment Millera z wyładowaniem iskier wulkanicznych. Nauka 322 , 404–404 (2008).

    Artykuł REKLAMY CAS PubMed Google Scholar

  20. Prosdocimi, F., de Farias, ST i José, MV Prebiotyczne refugia chemiczne: wieloaspektowy scenariusz powstawania biomolekuł w prymitywnej Ziemi. Teoria Biologii. 141 , 339–347 (2022).

    Artykuł CAS PubMed Google Scholar

  21. Campbell, TD i in. Kondensacja prebiotyczna w cyklu mokrym i suchym regulowana przez rozpływanie się. Nat. komuna. 10 , 4508 (2019).

    Artykuł REKLAMY PubMed Centrala PubMedu Google Scholar

  22. Becker, S. i in. Cykle na mokro i na sucho umożliwiają równoległe powstawanie kanonicznych i niekanonicznych nukleozydów w drodze ciągłej syntezy. Nat. komuna. 9 , 163 (2018).

    Artykuł REKLAMY PubMed Centrala PubMedu Google Scholar

  23. Jutzeler, M. i in. Trwające rozpraszanie tratwy pumeksowej z łuku Tonga w południowo-zachodnim Pacyfiku w dniu 7 sierpnia 2019 r. Geofizyka. Rozdzielczość Łotysz. 47 , e1701121 (2020).

    Artykuł Google Scholar

  24. Brasier, MD, Matthewman, R., McMahon, S., Kilburn, MR i Wacey, D. Pumeks z  3460 Ma Apex Basalt, Australia Zachodnia: Naturalne laboratorium wczesnej biosfery. Prekamb. Rozdzielczość 224 , 1–10 (2013).

    Artykuł REKLAMY CAS Google Scholar

  25. Brasier, MD, Matthewman, R., McMahon, S. i Wacey, D. Pumeks jako niezwykłe podłoże dla pochodzenia życia. Astrobio. 11 , 725–735 (2011).

    Artykuł REKLAMY CAS Google Scholar

  26. Bryan, SE i in. Szybkie rozprzestrzenianie się na duże odległości poprzez spływ pumeksem. PLoS One 7 , e40583 (2012).

    Artykuł REKLAMY CAS PubMed Centrala PubMedu Google Scholar

  27. Benner, SA Definiowanie życia. Astrobiologia 10 , 1021–1030 (2010).

    Artykuł REKLAMY PubMed Centrala PubMedu Google Scholar

  28. Harrison, TM Hadean Earth s. 212 – s. 213 (Springer Nature, 2020).

Pobierz referencje

Podziękowanie

Dziękuję Steve’owi McNuttowi, Melissie Scruggs, Robertowi Holzworthowi i Margaret Schoeninger za pomocne uwagi i sugestie. Również Francisco Negroni i Corrado Cimarelli; i Johna Chalmersa; Aarona Burtona; Bettina Scheu; Corrado Cimarelli; i Donaldowi Dingwellowi za współpracę przy laboratoryjnym eksperymencie z piorunami wulkanicznymi. Canon EJ Vossen zwrócił uwagę na cytat Marka Twaina.

Informacje o autorze

Autorzy i stowarzyszenia

Wkład

JB wymyślił i napisał rękopis.

Autor korespondencji

Korespondencja do Jeffreya L. Bady.

Deklaracje etyczne

Konkurencyjne interesy

Autor deklaruje brak konkurencyjnych interesów.

Recenzja partnerska

Informacje o wzajemnej recenzji

Nature Communications dziękuje Hendersonowi Cleavesowi i Markowi Harrisonowi za ich wkład w recenzowanie tej pracy.

Dodatkowe informacje

Nota wydawcy Springer Nature pozostaje neutralna w odniesieniu do roszczeń jurysdykcyjnych w publikowanych mapach i powiązaniach instytucjonalnych.

Prawa i uprawnienia

Otwarty dostęp Ten artykuł jest objęty licencją Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0, która pozwala na używanie, udostępnianie, adaptację, dystrybucję i reprodukcję na dowolnym nośniku lub w dowolnym formacie, pod warunkiem odpowiedniego podania oryginalnego autora (autorów) i źródła, podaj link do licencji Creative Commons i wskaż, czy wprowadzono zmiany. Obrazy lub inne materiały stron trzecich zawarte w tym artykule są objęte licencją Creative Commons artykułu, chyba że w linii kredytowej dotyczącej materiału wskazano inaczej. Jeśli materiał nie jest objęty licencją Creative Commons artykułu, a zamierzone użycie jest niezgodne z przepisami ustawowymi lub przekracza dozwolone użycie, konieczne będzie uzyskanie zgody bezpośrednio od właściciela praw autorskich. Aby wyświetlić kopię tej licencji, odwiedź http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ .

Przedruki i pozwolenia

O tym artykule
Sprawdź aktualizacje. Zweryfikuj walutę i autentyczność za pomocą CrossMark
Zacytuj ten artykuł
Bada, JL Chemia prebiotyczna piorunów na wyspie wulkanicznej i pochodzenie życia we wczesnym eonie Hadeanu. Nat Commun 14 , 2011 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37894-y

Link do artykułu: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37894-y

s41467-023-37894-y