كيف يمكن لشمس عاصفة عاصفة أن تكون قد بدأت الحياة على الأرض

تفترض دراسة جديدة أن اللبنات الأولى للحياة على الأرض ، وهي[{” attribute=””>amino acids and carboxylic acids, may have been formed due to solar eruptions. The research suggests that energetic particles from the sun during its early stages, colliding with Earth’s primitive atmosphere, could have efficiently catalyzed essential chemical reactions, thus challenging the traditional “warm little pond” theory.

The first building blocks of life on Earth may have formed thanks to eruptions from our Sun, a new study finds.

A series of chemical experiments show how solar particles, colliding with gases in Earth’s early atmosphere, can form amino acids and carboxylic acids, the basic building blocks of proteins and organic life. The findings were published in the journal Life.

To understand the origins of life, many scientists try to explain how amino acids, the raw materials from which proteins and all cellular life, were formed. The best-known proposal originated in the late 1800s as scientists speculated that life might have begun in a “warm little pond”: A soup of chemicals, energized by lightning, heat, and other energy sources, that could mix together in concentrated amounts to form organic molecules.

Artist’s concept of Early Earth. Credit: NASA

In 1953, Stanley Miller of the University of Chicago tried to recreate these primordial conditions in the lab. Miller filled a closed chamber with methane, ammonia, water, and molecular hydrogen – gases thought to be prevalent in Earth’s early atmosphere – and repeatedly ignited an electrical spark to simulate lightning. A week later, Miller and his graduate advisor Harold Urey analyzed the chamber’s contents and found that 20 different amino acids had formed.

“That was a big revelation,” said Vladimir Airapetian, a stellar astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and coauthor of the new paper. “From the basic components of early Earth’s atmosphere, you can synthesize these complex organic molecules.”

But the last 70 years have complicated this interpretation. Scientists now believe ammonia (NH3) and methane (CH4) were far less abundant; instead, Earth’s air was filled with carbon dioxide (CO2) and molecular nitrogen (N2), which require more energy to break down. These gases can still yield amino acids, but in greatly reduced quantities.

Seeking alternative energy sources, some scientists pointed to shockwaves from incoming meteors. Others cited solar ultraviolet radiation. Airapetian, using data from NASA’s Kepler mission, pointed to a new idea: energetic particles from our Sun.

Kepler observed far-off stars at different stages in their lifecycle, but its data provides hints about our Sun’s past. In 2016, Airapetian published a study suggesting that during Earth’s first 100 million years, the Sun was about 30% dimmer. But solar “superflares” – powerful eruptions we only see once every 100 years or so today – would have erupted once every 3-10 days. These superflares launch near-light speed particles that would regularly collide with our atmosphere, kickstarting chemical reactions.

https://www.youtube.com/watch؟v=rGD35PUpTjs
ساعدت الطاقة من شمسنا الفتية – قبل 4 مليارات سنة – في تكوين جزيئات في الغلاف الجوي للأرض سمحت لها بالتسخين بدرجة كافية لاحتضان الحياة. الائتمان: مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا / جينا دوبيرشتاين

قال Airapetian: “بمجرد أن نشرت تلك الورقة ، اتصل بي فريق من جامعة يوكوهاما الوطنية من اليابان”.

كان الدكتور كوباياشي ، أستاذ الكيمياء هناك ، قد أمضى الثلاثين عامًا الماضية في دراسة كيمياء البريبايوتك. كان يحاول فهم كيف يمكن للأشعة الكونية المجرية – الجسيمات الواردة من خارج نظامنا الشمسي – أن تؤثر على الغلاف الجوي للأرض في وقت مبكر. قال كوباياشي: “يتجاهل معظم الباحثين الأشعة الكونية المجرية لأنها تتطلب معدات متخصصة ، مثل مسرعات الجسيمات”. “كنت محظوظًا بما يكفي للوصول إلى العديد منها بالقرب من منشآتنا.” يمكن أن تؤدي التعديلات الطفيفة على الإعداد التجريبي لكوباياشي إلى اختبار أفكار Airapetian.

ابتكر Airapetian و Kobayashi ومعاونوهما مزيجًا من الغازات التي تتوافق مع الغلاف الجوي للأرض في وقت مبكر كما نفهمه اليوم. لقد جمعوا ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الجزيئي والماء وكمية متغيرة من الميثان. (نسبة الميثان في الغلاف الجوي المبكر للأرض غير مؤكدة ولكن يُعتقد أنها منخفضة.) أطلقوا النار على خليط الغاز بالبروتونات (محاكاة جزيئات الطاقة الشمسية) أو أشعلوها مع تفريغ شرارة (محاكاة البرق) ، تكرار تجربة ميلر أوري للمقارنة.

طالما أن نسبة الميثان تزيد عن 0.5٪ ، فإن المخاليط التي تم إطلاقها بواسطة البروتونات (جزيئات الطاقة الشمسية) أنتجت كميات قابلة للاكتشاف من الأحماض الأمينية والأحماض الكربوكسيلية. لكن تصريفات الشرارة (البرق) تتطلب تركيزًا من الميثان بنسبة 15٪ تقريبًا قبل أن تتكون أي أحماض أمينية على الإطلاق.

وأضاف Airapetian “وحتى عند وجود 15٪ من الميثان ، فإن معدل إنتاج الأحماض الأمينية عن طريق البرق أقل بمليون مرة من إنتاج البروتونات”. تميل البروتونات أيضًا إلى إنتاج المزيد من الأحماض الكربوكسيلية (طليعة الأحماض الأمينية) أكثر من تلك التي تشتعل عن طريق التفريغ الشراري.

لقطة مقربة لثوران بركاني شمسي ، بما في ذلك التوهج الشمسي ، وطرد كتلة إكليلية ، وحدث جسيم للطاقة الشمسية. الائتمان: مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

مع تساوي كل شيء آخر ، يبدو أن جزيئات الطاقة الشمسية مصدر طاقة أكثر كفاءة من البرق. اقترح Airapetian أن كل شيء آخر لم يكن متساويًا. افترض ميلر وأوري أن البرق كان شائعًا في وقت “البركة الصغيرة الدافئة” كما هو الحال اليوم. لكن البرق ، الذي يأتي من السحب الرعدية المتكونة من ارتفاع الهواء الدافئ ، كان من الممكن أن يكون أكثر ندرة تحت ضوء الشمس الخافت بنسبة 30٪.

قال Airapetian: “خلال الظروف الباردة ، لم يكن لديك برق أبدًا ، وكانت الأرض في وقت مبكر تحت شمس خافتة جدًا”. “هذا لا يعني أنه لا يمكن أن يأتي من البرق ، لكن البرق يبدو أقل احتمالا الآن ، ويبدو أن الجسيمات الشمسية أكثر احتمالا.”

تشير هذه التجارب إلى أن شمسنا الصغيرة النشيطة كان من الممكن أن تحفز سلائف الحياة بسهولة أكبر ، وربما قبل ذلك ، مما كان يُفترض سابقًا.

المرجع: “تكوين الأحماض الأمينية والأحماض الكربوكسيلية في التقليل الضعيف للأجواء الكوكبية بواسطة جزيئات الطاقة الشمسية من الشمس الفتية” بقلم كينسي كوباياشي جون إيتشي إيسي وريوهي أوكي وميي كينوشيتا وكوكي نايتو وتاكومي أودو وبهاغواتي كونيفوار تاكاهاشي ، هيرومي شيباتا ، هاجيمي ميتا ، هيتوشي فوكودا ، يوشيوكي أوجوري ، كيميتاكا كاوامورا ، يوكو كيبوكاوا وفلاديمير س. أيربيتيان ، ٢٨ أبريل ٢٠٢٣ ، حياة.
DOI: 10.3390 / life13051103