Вчені виявили новий спосіб утворення кисню в атмосферах, багатих вуглекислим газом, на планетах, що знаходяться поза межами нашої. Це ставить під сумнів традиційні уявлення про те, як ми повинні шукати життя на інших планетах, а також може вплинути на розуміння походження життя в цілому.
«Більшість досліджень щодо пошуку життя або його ознак на інших планетах виявляє, що все, що ми спостерігаємо, може бути створене без участі життя», — заявив Девід Бенуа, старший лектор з молекулярної фізики та астрохімії в університеті Халла. «Це дослідження показує ще один шлях утворення молекулярного кисню, який раніше не завжди вважався життєздатним».
Перед великим зростанням кількості атмосферного кисню (O2) на Землі під час Великої окислювальної події приблизно 2,4 мільярда років тому — коли ціанобактерії в океанах почали виробляти кисень через фотосинтез — первісна атмосфера нашої планети містила переважно вуглекислий газ (CO2) з лише слідовими кількостями кисню.
«Ці молекули O2 були виключно отримані шляхом абіотичних (небіологічних) процесів», — пише команда дослідників на чолі з Шан Сі Тянь та Цзі Ху з Університету науки і технології Китаю.
Тянь і Ху зацікавилися тим, як утворився цей первісний атмосферний кисень, повідомивши про новий механізм, за допомогою якого це могло статися.
Інші, в свою чергу, пропонують, що утворення кисню відбувається через механізми на зразок реакції «трьох тіл» з двома атомами кисню чи дисоціації CO2 під впливом ультрафіолетового світла. Дехто вважає, що ця речовина могла виникнути через специфічні реакції з електронами. «Однак ми виявили суттєво інший шлях для утворення O2 з молекулярного CO2», — розповів Тянь. «А саме шляхом реакції іонів гелію [He+] з CO2».
Більшість іонів гелію утворюється внаслідок взаємодії альфа-часток у сонячному вітрі з молекулами в верхній атмосфері, створюючи заряджені частинки, які потім реагують з CO2, що може призвести до утворення O2. «Цю реакцію можна спостерігати у верхній атмосфері Марса, оскільки там присутні численні He+ і CO2», — пояснив Ху.
Проте, попри те, що ці реакції були підтверджені як такі, що створюють різні іони, такі як O+, O2+ і CO2+ в іоносфері Марса, наразі немає доказів, що свідчать про утворення O2 таким чином.
Щоб підтвердити свою теорію, вчені застосували мас-спектрометрію з часом польоту (TOF), техніку, що визначає співвідношення маси до заряду газових іонів, шляхом вимірювання часу, який їм потрібно для подолання відомої відстані всередині спектрометра. Цей метод спирається на принцип, що іони, прискорені електричним полем відомої сили, отримують різні швидкості в залежності від їх співвідношення маси до заряду, і тому досягають детектора в різний час.
Але Ху та Тянь зробили це ще глибше, поєднуючи TOF з так званими «перехрещеними пляшками» та «карти швидкостей іонів», щоб спробувати пояснити можливі механізми, які привели б до утворення молекулярного кисню. У цій схемі два потоки частинок — CO2 та He+ — перетиналися за контрольованих умов, що дозволяло реакціям відбуватися в точці зіткнення.
Отримані продукти були йонізовані; їх співвідношення маси до заряду визначалося на основі часу, за який вони досягли детектора. Одночасно картографія швидкості іонів фіксувала траєкторії та швидкості іонів, надаючи детальну інформацію про їх енергії.
Загалом, команда змогла реконструювати реакційні шляхи та отримати критично важливу інформацію про покрокові процеси, що призводять до утворення кисню з цих двох початкових матеріалів.
«Це корисна знахідка, яка демонструє, що зіткнення гелію з енергією, що спостерігається в сонячному вітрі, може призвести до утворення молекулярного кисню при контакті з вуглекислим газом», — зазначив Бенуа. «Ефективність процесу, схоже, подібна до утворення кисню шляхом зіткнення вуглекислого газу з низькоенергетичними електронами, що було досліджено кілька років тому тієї ж групою дослідників».
Оскільки життя на Землі тісно пов’язане з концентраціями кисню, вчені довгий час вивчали атмосферний кисень як потенційний маркер придатності для життя на інших світах — особливо враховуючи, що більшість кисню на Землі виробляється живими організмами. Однак це дослідження демонструє, що кисень також може утворюватися шляхом абіотичних процесів, тобто процесів, що не є наслідком життєдіяльності організмів. Таким чином, якщо подібні механізми діють на інших планетах з CO2-багатими атмосфер, кисень може існувати навіть за відсутності життя.
Ця знахідка, однак, не означає, що астрономи поспішатимуть з висновками або що пошук життя на екзопланетах буде зірвано хибними позитивними біосигнатурами.
Бенуа підкреслив, що перехресна перевірка з астрохімічними моделями та експериментальними спостереженнями зміцнить ці висновки. Наприклад, одночасне виявлення вуглекислого газу, гелію та кисню на екзопланеті могло б підтвердити цей шлях як значний механізм утворення молекулярного кисню.
«Цей новий механізм, ймовірно, буде включено в майбутні моделі, що використовуються для прогнозування атмосфери інших планет», — зазначив Бенуа, — «і допоможе краще пояснити обсяги кисню, які ми могли б знайти там».