Земля могла получить важнейшие для появления жизни ингредиенты гораздо раньше, чем считалось. Авторы нового исследования показали, что основным источником фосфора и азота — двух незаменимых компонентов живых систем — могли быть не поздние метеориты из внешней части Солнечной системы, а самые первые планетезимали, что сформировались рядом с молодым Солнцем.
Вопрос происхождения жизненно важных элементов на Земле — одна из центральных тем планетологии. Традиционно считалось, что значительная часть летучих веществ и других необходимых для жизни компонентов попала на нашу планету с помощью углеродистых хондритов — древних метеоритов из внешней части Солнечной системы.
Данные последних лет, однако, показали, что эта картина может быть слишком упрощенной. Земля сформировалась из множества поколений планетезималей, а вклад различных источников менялся на протяжении миллионов лет. Особенно мало известно о самых ранних строительных блоках планет, которые возникли менее чем через миллион лет после рождения нашей звездной системы. Сегодня от них сохранились преимущественно железные метеориты — остатки металлических ядер разрушенных протопланетных тел.
Проследив историю двух элементов — фосфора и азота — исследователи смогли больше узнать о том, в каких областях формировались древние планетезимали. Эти элементы выбрали не случайно: азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, а фосфор — важнейшая часть ДНК, РНК и молекул, ответственных за перенос энергии в клетках. Азот легко испаряется и относится к летучим элементам, а фосфор конденсируется при куда более высоких температурах.
Чтобы смоделировать процессы, происходившие внутри ранних металлических тел Солнечной системы, авторы научной работы, опубликованной в журнале Science Advances, провели серию высокотемпературных экспериментов. В лаборатории они изучили, как фосфор и азот распределяются между твердыми и расплавленными железо-никелевыми сплавами. Полученные данные затем использовали для реконструкции состава родительских тел железных метеоритов.
Выяснилось, что самые ранние планетезимали внешней части Солнечной системы содержали больше фосфора по отношению к азоту, чем аналогичные объекты внутри области. Правда, у более поздних тел — хондритов — картина была противоположная: их представители из внешней области системы имели более низкие значения этого соотношения. То есть всего за первые несколько миллионов лет химическая структура протопланетного диска заметно изменилась.
Исследователи предположили, что на ранних этапах существования нашей звездной системы внутренние области диска были очень горячими и турбулентными. Именно там активно образовывался богатый фосфором минерал шрейберзит. Потоки вещества переносили эти частицы наружу в более холодные регионы, где формировались первые планетезимали внешней части системы. Позже турбулентность ослабла, а растущий Юпитер препятствовал переносу материала между внутренними и внешними областями. В результате доставка богатых фосфором частиц сократилась, а химический баланс сместился в другую сторону.
Затем, чтобы проверить, какие типы планетезималей могут воспроизвести современное соотношение фосфора и азота в земной мантии, ученые смоделировали формирование Земли. Расчеты показали, что одни только углеродистые хондриты из внешней части Солнечной системы дают слишком высокие значения. И напротив, ранние планетезимали внутренней части системы гораздо лучше воспроизводят наблюдаемый состав Земли.
Дополнительным аргументом стали изотопные данные по азоту. Если бы его основным источником были внешние углеродистые тела, изотопный состав земной мантии был бы другим. Модели также показали, что внутренние планетезимали лучше соответствуют как химическим, так и изотопным характеристикам современной Земли.
Таким образом планетологи нарисовали более сложную картину происхождения строительных блоков жизни. Вместо единовременной доставки жизненно важных элементов из внешней части Солнечной системы Земля, вероятно, получала их на протяжении всего роста от разных поколений планетезималей. Причем немалую роль сыграли самые древние тела внутренней области протопланетного диска — объекты, существовавшие задолго до появления привычных метеоритов.