Вопрос о том, как на нашей планете появились летучие вещества и элементы, необходимые для зарождения жизни, всегда был одним из самых важных для науки.
Долгое время считалось, что эти вещества — своего рода "строительный материал" для живых организмов — были принесены на Землю извне, из далекого космоса, с помощью особых камней, называемых углеродистыми хондритами. Однако новые научные данные показывают, что эта картина была слишком простой.
Современная наука рассматривает процесс рождения Земли иначе. Наша планета собиралась по частям, словно мозаика, из множества более мелких небесных тел — планетезималей.
Планетезималь — объект, образованный из пыли, камня и других материалов, возникающий на последней стадии формирования планеты из протопланетного вещества. Это небольшое небесное тело, имеющее размер от нескольких метров до сотен километров.
Важно понимать, что вклад этих разных "строительных блоков" менялся со временем. Особенно мало мы знаем о самых первых из них — тех, что образовались почти сразу после рождения нашего Солнца, менее чем через миллион лет. Из-за того что они прошли через сильное нагревание и разделение веществ, сегодня от них остались в основном железные метеориты — осколки их металлических ядер.
Чтобы лучше понять этот сложный процесс, ученые сосредоточили свое внимание на двух очень важных для жизни элементах — фосфоре и азоте. Почему именно они? Азот является основой белков и генетического кода, а фосфор — важнейшей частью нашей ДНК и главной "энергетической валютой" клеток. Кроме того, эти элементы ведут себя совершенно по-разному: азот очень летучий и подвижный, а фосфор — тугоплавкий и тяжелый.
Для проверки своих идей исследователи провели специальные лабораторные опыты. В них они изучали, как фосфор и азот распределяются между твердым и расплавленным металлом (сплавом железа и никеля) при огромных температурах. Эти данные помогли ученым восстановить химический состав тех самых древних небесных тел.
Анализ показал удивительную вещь: химический состав протопланетного диска вокруг молодого Солнца менялся очень быстро. Самые древние тела во внешней части системы были богаты фосфором по сравнению с азотом. А вот у более поздних «поколений» космических камней это соотношение стало обратным: во внешних областях фосфора стало меньше. Это говорит о том, что условия в диске менялись в течение первых нескольких миллионов лет.
Ученые предложили такую картину событий. В самом начале внутренние области протопланетного диска были очень горячими и бурными. Там образовался минерал шрейберзит (шрейберзит — минерал, фосфид железа, никеля и кобальта координационного строения), богатый фосфором. Мощные потоки уносили эти частицы во внешние, более холодные области, где они становились основой для первых планетезималей.
Позже, когда турбулентность утихла и начал формироваться Юпитер, он создал своего рода барьер. Этот гигантский газовый шар преградил путь перемешиванию вещества, и доставка фосфора извне прекратилась, что изменило химический баланс.
Чтобы убедиться в правильности этой теории, ученые создали компьютерную модель накопления Земли. Расчеты показали: если бы наша планета состояла только из внешних углеродистых хондритов, то в ее недрах было бы слишком много фосфора по отношению к азоту. И только если добавить в модель те самые древние внутренние планетезимали, химический состав Земли получается таким, какой он есть на самом деле.
Дополнительным доказательством стали исследования изотопов азота. Если бы азот пришел к нам только из внешних частей Солнечной системы, его изотопный состав в недрах Земли был бы другим. Моделирование подтвердило: именно внутренние планетезимали лучше всего объясняют и химический, и изотопный состав нашей планеты.
В итоге ученые пришли к важному выводу. История появления на Земле элементов жизни оказалась гораздо сложнее, чем думали раньше. Это был не разовый "привоз" вещества из космоса, а долгий и непрерывный процесс сборки планеты из разных поколений небесных тел.
Главную роль в формировании того состава элементов, который мы видим сегодня, сыграли самые древние тела из внутренней части протопланетного диска — те самые, что существовали еще до появления известных нам метеоритов-хондритов.