Полярные сияния могли запустить химию, из которой возникла жизнь

Сегодня полярное сияние воспринимается как одно из самых красивых природных зрелищ. Но более трёх миллиардов лет назад происходившие над полюсами процессы могли иметь гораздо более фундаментальное значение. Согласно новой гипотезе, магнитное поле молодой Земли направляло высокоэнергетические солнечные частицы в определённые области атмосферы, фактически создавая гигантский природный ионно-лучевой реактор. И именно там могла происходить химия, подготовившая часть исходных веществ для появления жизни.

Гипотезу в журнале BioSystems предложил исследователь Шинья Като. Она не утверждает, что жизнь возникла непосредственно внутри полярного сияния или что с неба падали готовые аминокислоты, из которых немедленно собирались первые клетки. Идея тоньше: магнитное поле планеты могло многократно направлять энергию в одни и те же географические области, создавая устойчивые химические лаборатории планетарного масштаба.

Чтобы понять механизм, достаточно вспомнить происхождение современных сияний. Солнце постоянно выбрасывает поток заряженных частиц. Земное магнитное поле отклоняет значительную их часть, но одновременно направляет некоторые частицы вдоль силовых линий к полярным областям. Там электроны и ионы сталкиваются с молекулами атмосферы. Сегодня результатом этих взаимодействий становятся знаменитые зелёные, красные и фиолетовые свечения.

На молодой Земле картина могла быть значительно интенсивнее. Палеомагнитные данные свидетельствуют, что геодинамо работало уже более 3,4 миллиарда лет назад, а молодое Солнце было гораздо активнее современного. Следовательно, Земля одновременно располагала мощным источником энергетических частиц и механизмом, способным пространственно организовывать их поступление.

Именно эта организация отличает новую гипотезу от прежних идей о роли радиации в происхождении жизни. Учёные давно экспериментируют с ультрафиолетом, молниями, метеоритными ударами, гидротермальными источниками и потоками высокоэнергетических частиц. Во многих случаях оказывается, что энергия, воздействующая на сравнительно простые смеси газов и воды, способна запускать образование более сложных органических соединений.

При столкновении энергичных электронов и ионов с молекулами азота, углекислого газа, воды и других компонентов древней атмосферы могли появляться ионы, свободные радикалы, возбуждённые молекулы и вторичные электроны. Это чрезвычайно реакционноспособные участники химических процессов. Лабораторные эксперименты уже показывали, что облучение правдоподобных пребиотических смесей способно приводить к появлению аминокислот, карбоновых кислот и органических предшественников.

Но происхождение жизни — это не только проблема производства нужных молекул. Представим океан, в который попало несколько граммов сложной органики. Даже интересная молекула практически бесполезна для дальнейшей химической эволюции, если мгновенно растворяется в гигантском объёме воды. Вещества необходимо было где-то накапливать, концентрировать и многократно подвергать новым реакциям.

Здесь авроральные пояса становятся особенно любопытными. Магнитное поле могло снова и снова направлять частицы примерно в одни высокоширотные области. Возникавшие в атмосфере соединения затем переносились вниз воздушными потоками, аэрозолями и осадками. Вместо случайного распределения энергии по всей планете могла существовать своеобразная географическая воронка, постоянно подпитывавшая химически активными веществами определённые районы.

Полярная среда добавляет ещё один неожиданный механизм — лёд. Замерзание воды не обязательно останавливает химию. Когда формируются кристаллы льда, многие растворённые вещества вытесняются из них и концентрируются в небольших объёмах оставшейся жидкой воды. Поэтому замерзающий водоём способен работать как естественный концентратор. Органические молекулы, доставленные из атмосферы, могли оказываться значительно ближе друг к другу, чем в открытом океане.

Получается впечатляющая цепочка: молодое активное Солнце поставляет энергию, магнитное поле Земли фокусирует заряженные частицы, атмосфера превращает эту энергию в реакционноспособную химию, воздушные потоки и осадки переносят продукты вниз, а лёд помогает их концентрировать. Ни один элемент этой системы сам по себе не создаёт жизнь. Интерес представляет их совместная работа.

Эта идея хорошо показывает, насколько изменилось само исследование происхождения жизни. Когда-то главным вопросом было, какие молекулы могли образоваться на молодой Земле. Теперь всё чаще изучается окружающая среда, способная заставить эти молекулы встречаться снова и снова. Для появления сложной химической системы могут требоваться циклы концентрации и разбавления, источники энергии, поверхности минералов, температурные градиенты и границы между различными фазами вещества.

Самое важное достоинство новой гипотезы заключается в том, что её можно проверить. В лаборатории возможно воспроизвести предполагаемые смеси газов ранней атмосферы и облучить их электронами и ионами с различными энергиями. Получившиеся соединения можно сравнить с продуктами ультрафиолетовой химии. Компьютерные модели способны объединить реконструкции древнего магнитного поля, солнечного ветра и атмосферы и определить, действительно ли в определённых широтах возникали устойчивые зоны повышенного энергетического воздействия.

Можно искать и геологические следы. Если древние высокоширотные области действительно представляли собой особые химические реакторы, в сохранившихся породах потенциально могли остаться характерные химические или изотопные сигнатуры. Если же моделирование и эксперименты не обнаружат заметной локализации или специфической химии, привлекательность гипотезы существенно уменьшится.

Особенно интересно, что идея выходит за пределы истории Земли. При поиске жизни на экзопланетах мы обычно спрашиваем, есть ли там жидкая вода, подходящая температура и необходимые химические элементы. Но, возможно, этого недостаточно. Следует учитывать и планетарную машину, которая организует химические процессы: звезду, магнитное поле, атмосферу, климат, ледяные циклы и перенос вещества.

Если гипотеза окажется верной хотя бы частично, знаменитое северное сияние приобретёт неожиданное эволюционное измерение. Его древние аналоги могли быть не просто световым следствием столкновения солнечных частиц с атмосферой. Возможно, миллиарды лет назад над полюсами Земли работала огромная природная химическая установка — и среди продуктов её бесчисленных реакций постепенно появлялись вещества, из которых гораздо позднее смогла собраться жизнь.