Могли ли кометы принести на Землю вещества, из которых впоследствии возникла жизнь? Эта гипотеза десятилетиями привлекала учёных, поскольку ледяные тела действительно содержат сложные органические соединения. Однако исследователи из Кембриджского университета обнаружили серьёзное препятствие: большинство комет сталкиваются с Землёй слишком быстро, чтобы хрупкие молекулы пережили удар и сохранились в количестве, необходимом для дальнейших химических реакций. Новое компьютерное моделирование заставляет пересмотреть роль комет в происхождении жизни.
Кометы часто называют своеобразными капсулами времени Солнечной системы. Они сформировались из древнего вещества, оставшегося после образования Солнца и планет, и сохранили значительную часть первоначального химического состава. В их ядрах обнаруживают водяной лёд, углекислый газ, соединения углерода и азота, а также различные органические молекулы. Поэтому долгое время предполагалось, что кометные столкновения могли обогатить молодую Землю веществами, необходимыми для возникновения первых биохимических систем.
Однако наличие органических соединений в комете ещё не означает, что они благополучно достигнут поверхности планеты. При столкновении огромная кинетическая энергия движущегося тела превращается в тепло, ударные волны и энергию разрушения вещества. Температура в области удара может достигать значений, при которых сложные молекулы распадаются. Следовательно, для доставки пребиотических веществ важен не только химический состав кометы, но и обстоятельства её падения.
Пребиотической химией называют реакции, которые могли происходить до появления живых организмов и приводить к образованию соединений, необходимых для биологических процессов. Для возникновения сложных молекулярных систем недостаточно случайного присутствия отдельных веществ. Они должны оказаться в подходящей среде, достичь достаточной концентрации и сохраняться достаточно долго, чтобы вступить в последовательность химических реакций. Именно эти условия исследователи решили проверить.
Команда под руководством Ричарда Анслоу объединила модели движения комет, их взаимодействия с планетарной атмосферой и физических процессов при столкновении с поверхностью. Учёные также учитывали современные представления о происхождении и динамической эволюции комет Солнечной системы. Такой подход позволил оценить не просто вероятность падения ледяного тела на Землю, а возможность сохранения и последующего использования доставленных им органических веществ.
Особое внимание уделили цианистому водороду, или HCN. Несмотря на токсичность для современных организмов, это сравнительно простое соединение углерода, азота и водорода представляет большой интерес для исследований происхождения жизни. В определённых химических условиях оно способно участвовать в реакциях, ведущих к образованию более сложных органических веществ, включая предшественники компонентов нуклеиновых кислот. Цианистый водород обнаруживается в кометах, поэтому он подходит для оценки возможной доставки пребиотического материала.
Моделирование показало, что для сохранения HCN требуется довольно узкое сочетание условий. Комета должна столкнуться с планетой при достаточно небольшой скорости и благоприятной геометрии удара. В противном случае интенсивный нагрев и разрушение кометного вещества резко уменьшают количество соединения, способного пережить столкновение. Для Земли такие благоприятные события оказались чрезвычайно редкими.
Исследователи также рассмотрели идею последовательных гравитационных взаимодействий кометы с несколькими планетами. В предыдущей работе 2023 года Анслоу и его коллеги предположили, что в компактных планетных системах кометы могут постепенно терять скорость, проходя рядом с соседними планетами. В результате некоторые из них способны сталкиваться с поверхностью достаточно медленно, чтобы сохранить органические соединения. Подобный механизм теоретически мог бы облегчить доставку пребиотического материала.
Но применительно к Солнечной системе расчёты оказались гораздо менее благоприятными. Даже если отдельная комета достигала Земли при подходящих условиях, оставалась проблема концентрации доставленного вещества. Цианистый водород мог быстро рассеиваться, испаряться, растворяться или вступать в побочные реакции. Поэтому для запуска сложной пребиотической химии требовалось, чтобы несколько маловероятных обстоятельств совпали практически одновременно.
Дополнительное ограничение связано со временем. В первые сотни миллионов лет существования Земли интенсивность кометных столкновений менялась, а количество доступных для доставки ледяных тел постепенно уменьшалось. Согласно моделированию, за первые 500 миллионов лет истории планеты возникало лишь небольшое число потенциально благоприятных возможностей для доставки HCN. При этом даже успешное столкновение не гарантировало возникновения устойчивой химической среды.
Авторы подчёркивают, что полностью исключить кометный источник пребиотических молекул невозможно. Однако их результаты показывают, что регулярная и эффективная доставка подобных соединений кометами вряд ли была главным механизмом снабжения молодой Земли. Для успешного сценария потребовалось бы редкое сочетание подходящей скорости, угла столкновения, сохранности молекул и последующих химических условий. Поэтому исследователи рассматривают его скорее как исключительную возможность, чем как закономерный процесс.
Интересно, что для Марса расчёты оказались несколько благоприятнее. Красная планета обладает меньшей массой и более слабым гравитационным притяжением, поэтому скорость столкновения кометы при прочих равных может быть ниже. Кроме того, характеристики атмосферы влияют на нагрев и разрушение падающего тела. Эти обстоятельства потенциально увеличивают вероятность сохранения части органических соединений при столкновении.
Однако более благоприятные условия не означают, что кометы действительно доставили на Марс вещества, необходимые для возникновения жизни. Исследование не обнаружило следов такого события и не установило существование древних марсианских организмов. Оно лишь показало, что вероятность сохранения некоторых пребиотических молекул при кометных столкновениях может различаться между планетами. Даже для Марса успешный сценарий остаётся маловероятным.
Если кометы не были основным поставщиком необходимых соединений, откуда они могли появиться? Один из возможных источников — астероиды, которые сталкивались с молодой Землёй значительно чаще. Некоторые астероидные вещества содержат органические соединения, а условия их доставки могут отличаться от кометных. Другой вариант предполагает образование пребиотических молекул непосредственно на Земле в результате атмосферных, геохимических и гидротермальных процессов.
При этом новое исследование не опровергает возможность внеземного происхождения отдельных органических веществ. Оно рассматривает прежде всего конкретный механизм доставки цианистого водорода кометами и условия его последующего сохранения. Другие молекулы обладают иной термической устойчивостью и могут вести себя при столкновениях по-другому. Поэтому вывод о маловероятности одного сценария нельзя распространять на все возможные источники органического вещества.
Работа имеет значение и для поиска жизни на экзопланетах. В некоторых компактных планетных системах гравитационные взаимодействия между соседними мирами могут создавать более благоприятные условия для медленных столкновений комет. Однако даже там необходимо учитывать атмосферу планеты, скорость удара и химическую судьбу доставленных соединений. Наличие комет само по себе ещё не означает эффективного снабжения планеты веществами для возникновения жизни.
Главный результат исследования заключается в уточнении условий, необходимых для появления сложной пребиотической химии. Доставить органическую молекулу на планету — лишь первый этап, после которого она должна сохраниться, накопиться и включиться в подходящую последовательность реакций. Компьютерное моделирование показывает, насколько трудно выполнить все эти требования одновременно. Возможно, происхождение жизни на Земле было связано не с редкими удачными падениями комет, а с более устойчивыми химическими процессами, происходившими на самой планете.
А затем «Добавить на главный экран».
