Čo vlastne vedci objavili?

Keď sa vedci snažia pochopiť, ako na Zemi vznikol život, nevyhnutne narazia na otázku pôvodu jeho chemických „stavebných blokov“. Odkiaľ sa na mladej planéte vzali prvky, bez ktorých nie je možná ani DNA, ani RNA, ani bunky? Za jedny z najdôležitejších z nich sa považujú fosfor a dusík.

Nová štúdia, uverejnená v časopise Science Advances s podporou NASA, ponúka nečakaný pohľad na históriu týchto prvkov. Jej autori dospeli k záveru, že značná časť fosforu a dusíka sa mohla dostať na Zem nie z vonkajších oblastí Slnečnej sústavy, ako sa pôvodne predpokladalo, ale z vnútorných. Navyše, dôležitú úlohu v tomto procese pravdepodobne zohral Jupiter. Dnes sa tento plynný gigant nachádza takmer 780 miliónov km od Slnka a zdá sa, že je „ďaleko od pozemských problémov“. Pred 4,5 miliardami rokov však slnečná sústava predstavovala rotujúci disk plynu, prachu a formujúcich sa planét. V tomto období Jupiter nielen naberal hmotnosť, ale svojím silným gravitačným pôsobením ovplyvňoval pohyb obrovského množstva látok okolo seba.

V najskorších fázach vývoja slnečnej sústavy sa plyn a prach zlučovali do telies známych ako planetezimály. Keď tieto objekty obiehali okolo mladého Slnka v tomto chaotickom prostredí, planetezimály sa zrážali a po celej sústave zanechávali rozbité úlomky. Nakoniec sa mnohé z týchto úlomkov stali súčasťou planét a mesiacov. Ostatné úlomky prežívajú dodnes ako asteroidy, ktoré stále obiehajú okolo Slnka, a ak dopadli na Zem a boli nájdené, nazývame ich meteority. Tieto meteority poskytujú pohľad do raného slnečného systému v čase, keď Zem ešte neexistovala. Chondritové a železné meteority sú dve rôzne triedy týchto meteoritov. Ako naznačuje ich názov, železné meteority sú husté, kovové objekty a sú zložené prevažne zo zliatiny železa a niklu. Chondrity sú naopak kamenné objekty a tvoria väčšinu meteoritov, ktoré boli nájdené na Zemi. Každý typ meteoritu pochádza z planetezimál, ktoré sa v našej sústave vytvorili v rôznych obdobiach. Najstaršia generácia planetezimál je zdrojom železných meteoritov. Chondrity pochádzajú z druhej generácie planetezimál, ktoré sa vytvorili o 2–3 milióny rokov neskôr.

Vznik obývateľnej planéty

Pochopenie toho, ako vznikla Zem a kedy sa tak stalo, je dôležité pre astrobiológov, ktorí skúmajú, ako a kedy sa naša planéta stala obývateľnou pre život, ako ho poznáme. Mladá Zem potrebovala zásoby zložiek potrebných pre život, vrátane dusíka a fosforu, aby sa mohli vytvoriť prvé živé bunky. Medzi vedcami prebieha debata o tom, odkiaľ pochádzali zásoby prvkov nevyhnutných pre život na Zemi. Niektoré dôkazy poukazujú na chondrity vo vonkajšej časti slnečnej sústavy, ktoré sa pohybovali smerom dovnútra a dorazili na Zem v neskoršej fáze procesu formovania našej planéty. Nová štúdia však prináša iný pohľad. Pomocou laboratórnych experimentov a geochemických modelov tím rekonštruoval mapu pomerov fosforu a dusíka (P/N) v ranom slnečnom systéme a zistil rozdiely medzi prvou (železné meteority) a druhou (chondrity) generáciou planetezimál.

Vedci analyzovali zloženie týchto starovekých meteoritov – akýchsi „časových kapsúl“, ktoré uchovali informácie o raných fázach formovania planét. Osobitnú pozornosť venovali pomeru fosforu a dusíka. Porovnaním týchto údajov so zložením zemského plášťa autori dospeli k záveru, že na vysvetlenie pozorovaných koncentrácií nebolo nevyhnutné pritiahnuť veľké množstvo hmoty s týmito prvkami z vonkajších oblastí Slnečnej sústavy. Podstatný príspevok mohli mať telesá, ktoré sa vytvorili bližšie k Slnku.

Z čoho sa skladá Zem

Po mnoho rokov sa vo výskume pôvodu života venovala veľká pozornosť myšlienke, že životne dôležité látky boli dopravené na Zem z vesmíru. Predpokladalo sa, že mladá Zem mohla získať značnú časť vody, organických zlúčenín a niektorých biogénnych prvkov vďaka menším  telesám, ktoré prileteli z vonkajších oblastí Slnečnej sústavy. Nová štúdia síce túto predstavu úplne nevyvrátila, avšak uvádza, že to zrejme bolo zložitejšie. Ak sú závery autorov správne, potom aspoň časť fosforu a dusíka potrebných pre budúcu biosféru mohla mať „miestny“ pôvod, teda pochádzať z telies, ktoré sa vytvorili bližšie k Slnku a k obežnej dráhe Zeme. To znamená, že kľúčové chemické zložky života mohli byť oveľa bližšie k mladej planéte, než sa predpokladalo.

Takéto výsledky sú dôležité nielen pre pochopenie histórie Zeme, ale aj pre posúdenie obývateľnosti iných planetárnych systémov. V takom prípade sa prvky môžu efektívne vytvárať a hromadiť v blízkosti mladých skalnatých vesmírnych telies, čo rozširuje predstavy o tom, kde vo vesmíre hľadať svety potenciálne vhodné pre život. Podľa slov vedúceho vedeckého pracovníka GEOCHI Ruskej akadémie vied (RAN) Dr. Sergeja Ipatova však takýto záver nie je v rozpore so súčasnými predstavami o vzniku Zeme. „Pravdepodobnosť zrážky so Zemou telies, ktoré vznikli vo vnútri obežnej dráhy Jupitera, bola podstatne vyššia ako pravdepodobnosť zrážky s telesami z vonkajšej časti Slnečnej sústavy. Preto sa príspevok vnútorných telies považuje za významný,“ poznamenáva vedec. Hlavná hodnota tejto novej práce spočíva hlavne v pokuse vysvetliť, prečo dnes v zemskom plášti pozorujeme práve takýto pomer fosforu a dusíka. V tomto zmysle pomáha štúdia lepšie pochopiť, akú dôležitú úlohu pri formovaní budúcej obývateľnosti Zeme mohli zohrať procesy, ktoré prebiehali v jej najbližšom vesmírnom okolí. Načo je potrebný fosfor

Bez fosforu by život v podobe, akú poznáme, bol jednoducho nemožný. Fosfor tvorí molekuly DNA a RNA, podieľa sa na ukladaní a prenose energie vnútri buniek a je aj súčasťou bunkových membrán. Prítomnosť tohto prvku a jeho dostupnosť pre chemické reakcie však nie sú to isté.

Ako vysvetľujú doktor biologických vied, profesor Fakulty bioinžinierstva a bioinformatiky Moskovskej štátnej univerzity M. V. Lomonosova Alexander Mulkidžanjan dnes väčšina fosforu na Zemi existuje vo forme fosfátov – solí kyseliny fosforečnej. Tie sa zle rozpúšťajú vo vode a nie sú príliš ochotné vstupovať do chemických reakcií. Práve preto je moderné poľnohospodárstvo závislé od fosforových hnojív a mnohé ekosystémy trpia nedostatkom tohto prvku.

Pre vedcov, ktorí skúmajú pôvod života, to predstavuje vážny problém. Ak je dostupného fosforu pomerne málo aj na súčasnej Zemi, nie je jasné, ako sa mohli prvé molekuly RNA vytvoriť pred viac ako 4 miliardami rokov. Úloha nájsť zdroj hojného a dostupného fosforu na pravekej Zemi je veľmi zložitá, preto sa zvyčajne na potrebu fosforu „zabúda“, uvádza vedec. Pozornosť sa najčastejšie sústreďuje na hľadanie vody, organických látok alebo zdrojov energie, zatiaľ čo problém dostupného fosforu sa často vníma ako druhoradý. Medzitým sa bez vyriešenia práve tejto úlohy mnohé scenáre vzniku života ukazujú ako chemicky nereálne.

Už v polovici minulého storočia vedci predpokladali, že na dávnej bezkyslíkovej Zemi mohol fosfor existovať nielen vo forme fosfátov, ale aj vo forme redukovanejších zlúčenín – fosfitov. Takéto látky sa oveľa lepšie rozpúšťajú vo vode a podstatne ľahšie sa podieľajú na chemických reakciách potrebných na tvorbu zložitých organických molekúl. Molekuly RNA sa skladajú z ribonukleotidov, ktoré sú navzájom spojené fosfátovými skupinami. Takéto polyméry sa mohli spontánne vytvárať len vtedy, ak bolo k dispozícii veľa fosforových zlúčenín schopných reagovať chemicky, zdôrazňujú vedci. Pre nich je však dôležité nielen určiť zdroj týchto zlúčenín, ale aj pochopiť, v akej forme existoval fosfor na rannej Zemi a do akej miery bol dostupný pre chemické procesy, ktoré nakoniec viedli k vzniku prvých živých systémov.

Mohla podmienky pre život vytvoriť Zem sama?

Diskusia o starovekých meteoritoch a úlohe Jupitera je len súčasťou oveľa rozsiahlejšej vedeckej úlohy. Aj keby vedci presne určili zdroj fosforu na rannej Zemi, ešte by museli vysvetliť, ako sa tento prvok stal dostupným pre chemické procesy života. Jedno z možných riešení navrhujú Alexander Mulkidžhanjan, Daria Dibrova a ich kolegovia. Podľa ich hypotézy mohli kľúčovú úlohu pri zabezpečovaní rannej Zeme dostupným fosforom zohrať geotermálne polia a intenzívna vulkanická aktivita. Ako príklad uvádzajú výskumníci sopku Kudrjavyj na Kurilských ostrovoch. Teplota jeho magmy je výrazne vyššia ako u väčšiny súčasných sopiek, vďaka čomu je vulkanická para schopná prenášať neobvykle veľké množstvá fosforu a iných prvkov potrebných pre život. Práce skupiny geochemika Andreja Byčkova ukázali, že pri vysokých teplotách sa fosfor efektívne vynáša z útrob planéty spolu s vulkanickou parou a môže sa hromadiť v povrchovom prostredí.

Podľa výskumníkov boli podobné procesy na mladej Zemi veľmi rozšírené. Po obrovskej zrážke, ktorá viedla k vzniku Mesiaca, zostal zemský plášť po dlhú dobu podstatne teplejší než dnes. V dôsledku toho bola vulkanická aktivita oveľa intenzívnejšia a podmienky v mnohých systémoch mohli pripomínať tie, ktoré sa dnes pozorujú len v najhorúcejších fumarolách – trhlinách a otvoroch vo vulkanických oblastiach, cez ktoré na povrch unikajú rozžeravené plyny a para. Pokiaľ zemský plášť zostával prehriaty po náraze, ktorý viedol k vzniku Mesiaca, spolu s parou zo všetkých zemských sopiek sa na povrch muselo dostať veľmi veľké množstvo fosforových zlúčenín, čo zabezpečilo ich hojnosť na povrchu Zeme, — zdôrazňujú vedci. Podľa nich mohol takýto mechanizmus po milióny rokov zásobovať povrch planéty chemicky aktívnymi zlúčeninami fosforu, čím vytváral priaznivé podmienky pre procesy, ktoré predchádzali vzniku života.