Wie eine stürmische Sonne das Leben auf der Erde hätte beginnen können

Eine neue Studie geht davon aus, dass die ersten Bausteine ​​des Lebens auf der Erde nämlich[{“ attribute=““>amino acids and carboxylic acids, may have been formed due to solar eruptions. The research suggests that energetic particles from the sun during its early stages, colliding with Earth’s primitive atmosphere, could have efficiently catalyzed essential chemical reactions, thus challenging the traditional “warm little pond” theory.

The first building blocks of life on Earth may have formed thanks to eruptions from our Sun, a new study finds.

A series of chemical experiments show how solar particles, colliding with gases in Earth’s early atmosphere, can form amino acids and carboxylic acids, the basic building blocks of proteins and organic life. The findings were published in the journal Life.

To understand the origins of life, many scientists try to explain how amino acids, the raw materials from which proteins and all cellular life, were formed. The best-known proposal originated in the late 1800s as scientists speculated that life might have begun in a “warm little pond”: A soup of chemicals, energized by lightning, heat, and other energy sources, that could mix together in concentrated amounts to form organic molecules.

Artist’s concept of Early Earth. Credit: NASA

In 1953, Stanley Miller of the University of Chicago tried to recreate these primordial conditions in the lab. Miller filled a closed chamber with methane, ammonia, water, and molecular hydrogen – gases thought to be prevalent in Earth’s early atmosphere – and repeatedly ignited an electrical spark to simulate lightning. A week later, Miller and his graduate advisor Harold Urey analyzed the chamber’s contents and found that 20 different amino acids had formed.

“That was a big revelation,” said Vladimir Airapetian, a stellar astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and coauthor of the new paper. “From the basic components of early Earth’s atmosphere, you can synthesize these complex organic molecules.”

But the last 70 years have complicated this interpretation. Scientists now believe ammonia (NH3) and methane (CH4) were far less abundant; instead, Earth’s air was filled with carbon dioxide (CO2) and molecular nitrogen (N2), which require more energy to break down. These gases can still yield amino acids, but in greatly reduced quantities.

Seeking alternative energy sources, some scientists pointed to shockwaves from incoming meteors. Others cited solar ultraviolet radiation. Airapetian, using data from NASA’s Kepler mission, pointed to a new idea: energetic particles from our Sun.

Kepler observed far-off stars at different stages in their lifecycle, but its data provides hints about our Sun’s past. In 2016, Airapetian published a study suggesting that during Earth’s first 100 million years, the Sun was about 30% dimmer. But solar “superflares” – powerful eruptions we only see once every 100 years or so today – would have erupted once every 3-10 days. These superflares launch near-light speed particles that would regularly collide with our atmosphere, kickstarting chemical reactions.

Die Energie unserer jungen Sonne vor 4 Milliarden Jahren trug dazu bei, Moleküle in der Erdatmosphäre zu erzeugen, die es ihnen ermöglichten, sich genug zu erwärmen, um Leben zu beherbergen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/Jenna Duberstein

„Sobald ich dieses Papier veröffentlicht hatte, kontaktierte mich ein Team der Yokohama National University aus Japan“, sagte Airapetian.

Dr. Kobayashi, ein dortiger Chemieprofessor, hatte die letzten 30 Jahre damit verbracht, die Chemie von Präbiotika zu studieren. Er versuchte zu verstehen, wie galaktische kosmische Strahlen – Partikel von außerhalb unseres Sonnensystems – die Atmosphäre der frühen Erde beeinflusst haben könnten. „Die galaktische kosmische Strahlung wird von den meisten Forschern ignoriert, weil sie spezielle Ausrüstung wie Teilchenbeschleuniger erfordert“, sagte Kobayashi. „Ich hatte das Glück, Zugang zu mehreren von ihnen in der Nähe unserer Einrichtungen zu haben.“ Leichte Modifikationen an Kobayashis experimentellem Aufbau könnten Airapetians Ideen testen.

Airapetian und Kobayashi und ihre Mitarbeiter schufen ein Gasgemisch, das der Atmosphäre der frühen Erde entspricht, wie wir sie heute verstehen. Sie sammelten Kohlendioxid, molekularen Stickstoff, Wasser und eine variable Menge Methan. (Der Anteil von Methan in der Atmosphäre der frühen Erde ist ungewiss, wird aber als gering angesehen.) Sie beschossen das Gasgemisch mit Protonen (Simulation von Sonnenteilchen) oder zündeten es mit einer Funkenentladung (Simulation von Blitzen), wodurch das Miller-Urey-Experiment für wiederholt wurde Vergleich.

Solange der Methangehalt größer als 0,5 % war, produzierten die von den Protonen (den Sonnenenergieteilchen) freigesetzten Mischungen nachweisbare Mengen an Aminosäuren und Carbonsäuren. Funkenentladungen (Blitzentladungen) erfordern jedoch eine Methankonzentration von etwa 15 %, bevor sich überhaupt Aminosäuren bilden können.

„Selbst wenn 15 % Methan vorhanden sind, ist die Produktionsrate von Aminosäuren durch Blitze millionenfach geringer als die Produktion von Protonen“, fügte Airapetian hinzu. Protonen neigen auch dazu, mehr Carbonsäuren (Vermittler von Aminosäuren) zu produzieren als diejenigen, die durch Funkenentladung gezündet werden.

Nahaufnahme eines Sonnenvulkanausbruchs, einschließlich einer Sonneneruption, eines koronalen Massenauswurfs und eines Sonnenvulkanausbruchs. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

Wenn alles andere gleich ist, scheinen Sonnenpartikel eine effizientere Energiequelle zu sein als Blitze. Alles andere sei nicht gleich, schlug Airapetian vor. Miller und Urey stellten die Hypothese auf, dass Blitze zur Zeit des „warmen kleinen Teichs“ so häufig waren wie heute. Aber Blitze, die von Gewitterwolken aus aufsteigender warmer Luft kommen, wären bei schwachem Sonnenlicht etwa 30 % seltener gewesen.

„Bei kalten Bedingungen gibt es nie Blitze, und die frühe Erde stand unter einer sehr schwachen Sonne“, sagte Airapetian. „Das bedeutet nicht, dass es nicht von Blitzen kommen könnte, aber Blitze scheinen jetzt weniger wahrscheinlich und Sonnenpartikel scheinen wahrscheinlicher zu sein.“

Diese Experimente deuten darauf hin, dass unsere junge, energiereiche Sonne Vorläufer des Lebens leichter und vielleicht früher als bisher angenommen hätte induzieren können.

Referenz: „Bildung von Aminosäuren und Carbonsäuren bei der schwachen Reduktion planetarer Atmosphären durch Sonnenpartikel der jungen Sonne“ von Kensei Kobayashi Jun-ichi Ise, Ryuhei Aoki, Mei Kinoshita, Koki Naito, Takumi Udo, Bhagawati Konivore Takahashi, Hiromi Shibata, Hajime Mita, Hitoshi Fukuda, Yoshiyuki Oguri Kimitaka Kawamura, Yoko Kibukawa und Vladimir S. Irpetian, 28. April 2023 Hier erhältlich. Leben.
DOI: 10.3390/life13051103