Учёные провели 100 тысяч моделирований и усомнились в одной из гипотез происхождения жизни

Международная группа учёных провела 100 тысяч компьютерных моделирований столкновений комет с ранней Землёй и получила результаты, ставящие под сомнение одну из известных гипотез происхождения жизни. Исследователи выяснили, что органические соединения, необходимые для предбиологической химии, с большой вероятностью разрушались при столкновениях с поверхностью планеты или оказывались слишком сильно разбавлены водой. В 54% смоделированных историй кометной бомбардировки не произошло ни одного столкновения, которое обеспечило бы достаточную концентрацию исследуемого вещества на суше.

Работу выполнили специалисты Кембриджского и Эдинбургского университетов под руководством астрофизика Ричарда Энслоу. Учёные решили проверить предположение, согласно которому кометы могли доставить на молодую Землю химические компоненты, из которых впоследствии возникли первые живые системы. Эта гипотеза обсуждается более ста лет, поскольку исследования комет неоднократно обнаруживали в их составе воду и различные органические молекулы.

Основное внимание исследователи уделили цианистому водороду, или синильной кислоте (HCN). Несмотря на высокую токсичность для современных организмов, это соединение представляет большой интерес для изучения происхождения жизни. В определённых химических условиях оно может участвовать в образовании сахаров, липидов, азотистых оснований и других компонентов, необходимых для возникновения сложных биологических молекул. Цианистый водород неоднократно обнаруживали в составе комет, поэтому его рассматривают как один из возможных источников исходного вещества для предбиологической химии.

Для проверки гипотезы команда объединила современные модели движения комет, их взаимодействия с атмосферой и разрушения при высокоскоростных столкновениях. Исследователи воспроизвели 100 тысяч возможных сценариев кометной бомбардировки ранней Земли, учитывая размеры небесных тел, скорость и угол их падения, плотность атмосферы и изменения условий на поверхности планеты. При этом речь идёт не о 100 тысячах отдельных ударов, а о 100 тысячах вариантов истории многочисленных столкновений.

Расчёты показали, что для сохранения достаточного количества цианистого водорода необходимо редкое сочетание условий. Небольшие кометы могут разрушаться ещё в атмосфере, а при столкновении более крупных тел с поверхностью выделяется огромное количество тепла, способного уничтожить значительную часть органических соединений. Более благоприятным оказывается падение под небольшим углом и с относительно низкой скоростью, однако такие события происходят редко. Дополнительную проблему создают океаны, покрывавшие значительную часть поверхности молодой Земли.

В качестве минимальной концентрации, потенциально пригодной для дальнейшей предбиологической химии, авторы использовали значение около 10 миллимолей цианистого водорода на литр. В 54% моделирований ни одна комета не смогла обеспечить такую концентрацию на открытой суше. В остальных 46% сценариев происходило хотя бы одно подходящее столкновение, но даже оно не гарантировало возникновения необходимых химических реакций. Вещество могло быстро разбавиться дождевой и грунтовой водой, а благоприятные условия сохранялись бы лишь несколько дней или недель.

Исследователи также оценили совокупное количество цианистого водорода, которое кометы могли доставить на Землю за длительный период. Если распределить весь сохранившийся запас в объёме одного земного океана, его концентрация составила бы приблизительно 0,75 микромоля на литр. Это на несколько порядков меньше концентраций, используемых в лабораторных экспериментах по синтезу предбиологических соединений. Таким образом, даже относительно большое количество органического вещества не обязательно делает его доступным для химических процессов, способных предшествовать появлению жизни.

Неожиданный результат был получен при сравнении Земли с другими планетами Солнечной системы. Согласно моделированию, Марс мог оказаться значительно более благоприятным местом для доставки органических соединений кометами. Из-за меньшей силы тяжести и более низких скоростей столкновений хрупкие молекулы имели больше шансов сохраниться. При расчётах с современной разреженной атмосферой Марса число потенциально успешных столкновений оказалось существенно выше, чем на Земле. Даже при предположении, что древняя марсианская атмосфера была намного плотнее, модель предсказывала более чем пятикратное преимущество перед Землёй без учёта распределения суши и океанов.

Противоположная ситуация наблюдалась на Венере. Её плотная атмосфера приводит к сильному нагреву и разрушению падающих комет, включая объекты диаметром несколько километров. Поэтому доставка предбиологических веществ в достаточной концентрации оказывается существенно менее вероятной. Однако авторы подчёркивают, что сравнение планет основано на упрощённых предположениях об их атмосферах и не доказывает, что на Марсе когда-либо возникала жизнь.

Полученные результаты не исключают участия внеземного вещества в происхождении земной жизни. Кометы действительно содержат органические молекулы, а отдельные благоприятные столкновения теоретически могли обеспечить их доставку. Кроме того, исследование сосредоточено преимущественно на цианистом водороде и не проверяет все возможные пути предбиологической химии. В качестве альтернативных источников необходимых соединений авторы рассматривают падение астероидов и химические реакции, происходившие непосредственно на молодой Земле.

Главный вывод работы заключается в том, что сама доставка органических молекул из космоса ещё не означает появления условий для зарождения жизни. Веществам необходимо не только пережить столкновение, но и сохраниться в достаточно высокой концентрации на протяжении времени, необходимого для дальнейших химических превращений. Согласно новой модели, кометная бомбардировка Земли крайне редко обеспечивала выполнение этих условий.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Scientific Reports.