Bildkredit: NASA
Christopher Chyba är den huvudsakliga utredaren för SETI-institutets ledarteam vid NASAs astrobiologiska institut. Chyba var tidigare chef för SETI-institutets centrum för studier av livet i universum. Hans NAI-team bedriver ett brett spektrum av forskningsaktiviteter och tittar på både livets början på jorden och möjligheten att leva i andra världar. Astrobiology Magazines chefredaktör, Henry Bortman, talade nyligen med Chyba om flera av hans teams projekt som kommer att utforska ursprunget och betydelsen av syre i jordens atmosfär.
Astrobiology Magazine: Många av de projekt som medlemmarna i ditt team kommer att arbeta med har att göra med syre i jordens atmosfär. I dag är syre en betydande del av luften vi andas in. Men på den tidiga jorden fanns det väldigt lite syre i atmosfären. Det diskuteras mycket om hur och när planetens atmosfär blev syresatt. Kan du förklara hur ditt teams forskning kommer att närma sig denna fråga?
Christopher Chyba: Den vanliga berättelsen, som du förmodligen är bekant med, är att efter att syres fotosyntesen utvecklats fanns det då en enorm biologisk syrekälla på den tidiga jorden. Det är den vanliga vyn. Det kan vara rätt, och vad som vanligt är fallet i dessa typer av argument är inte om en effekt är rätt eller inte. Förmodligen var många effekter aktiva. Det är en fråga om vad som var den dominerande effekten, eller om det fanns flera effekter av jämförbar betydelse.
SETI-institutets forskare Friedemann Freund har en helt icke-biologisk hypotes om ökningen av syre, som har ett visst experimentellt stöd från laboratoriearbete som han gjort. Hypotesen är att när stenar stelnar från magma, de innehåller små mängder vatten. Kylning och efterföljande reaktioner leder till produktion av peroxikopplingar (bestående av syre- och kiselatomer) och molekylärt väte i bergarterna.
Sedan, när den stötande berget sedan väder ut, producerar peroxilänkar väteperoxid, som sönderdelas i vatten och syre. Så om detta är rätt kommer helt enkelt att väder ut stötande bergarter vara en källa till fritt syre i atmosfären. Och om man tittar på några av de mängder syre som Friedemann kan släppa från stenar i välkontrollerade situationer i sina första experiment, kan det vara så att det var en betydande och betydande syrekälla på den tidiga jorden.
Så även bortsett från fotosyntesen, kan det finnas en slags naturlig källa till syre i alla jordliknande världar som hade igneös aktivitet och flytande vatten tillgängligt. Detta skulle antyda att oxidationen av ytan kan vara något du förväntar dig att inträffa, oavsett om fotosyntes sker tidigt eller sent. (Självklart beror tidpunkten för detta också på syreinnehållet.) Jag betonar att det här är allt en hypotesen för den här punkten, för mycket noggrannare utredning. Friedemann har gjort bara pilotförsök hittills.
En av de intressanta sakerna med Friedemanns idé är att den antyder att det kan finnas en viktig källa till syre på planeter helt oberoende av biologisk evolution. Så det kan finnas en naturlig drivkraft mot oxidationen av ytan i en värld, med alla följder för konsekvenserna för evolutionen. Eller kanske inte. Poängen är att göra arbetet och ta reda på det.
En annan del av hans arbete, som Friedemann kommer att göra med mikrobiolologen Lynn Rothschild från NASA Ames Research Center, har att göra med den här frågan om man i miljöer som är förknippade med väderbitna stollar och produktion av syre, kunde ha skapat mikromiljöer som skulle ha gjort det möjligt för vissa mikroorganismer som lever i dessa miljöer att ha föranpassats till en syrerik miljö. De kommer att arbeta med mikroorganismer för att försöka ta itu med den frågan.
AM: Emma Banks kommer att titta på kemiska interaktioner i atmosfären i Saturns måne Titan. Hur binder det sig till att förstå syre på den tidiga jorden?
CC: Emma tittar på ett annat abiotiskt sätt som kan vara viktigt för att oxidera en världsyta. Emma gör kemiska beräkningsmodeller, ända ner till kvantmekanisk nivå. Hon gör dem i ett antal sammanhang, men vad som är relevant för detta förslag har att göra med disbildning.
På Titan - och eventuellt också på den tidiga jorden, beroende på din modell för atmosfären av den tidiga jorden - finns det en polymerisation av metan [kombinationen av metanmolekyler till större kolvätekedjemolekyler] i den övre atmosfären. Titans atmosfär är flera procent metan; nästan hela resten av det är molekylärt kväve. Det är bombarderat med ultraviolett ljus från solen. Det bombarderas också med laddade partiklar från Saturnus magnetosfär. Effekten av detta, som verkar på metan, CH4, är att bryta metan upp och polymerisera den i längre kedjor.
Om du börjar polymerisera metan i längre och längre kolkedjor, varje gång du lägger till ytterligare kol på kedjan måste du bli av med lite väte. För att till exempel gå från CH4 (metan) till C2H6, (etan) måste du bli av med två väten. Väte är en extremt lätt atom. Även om det gör H2, så är det en extremt lätt molekyl, och den molekylen har förlorat från toppen av Titans atmosfär, precis som den har förlorat från toppen av jordens atmosfär. Om du blödar väte från toppen av din atmosfär, är nettoeffekten att oxidera ytan. Så det är ett annat sätt som ger dig en nettooxidation av världens yta.
Emma är intresserad av detta främst med avseende på vad som sker på Titan. Men det är också potentiellt relevant som en slags global oxidationsmekanism för den tidiga jorden. Och för att ta kväve in i bilden är hon intresserad av den potentiella produktionen av aminosyror ur dessa villkor.
AM: Ett av mysterierna om det tidiga livet på jorden är hur det överlevde de skadliga effekterna av ultraviolett (UV) strålning innan det fanns tillräckligt med syre i atmosfären för att ge en ozonsköld. Janice Bishop, Nathalie Cabrol och Edmond Grin, som alla är med på SETI Institute, undersöker några av dessa strategier.
CC: Och det finns många potentiella strategier där. Man är bara att vara tillräckligt djupt under ytan, oavsett om du pratar om marken eller havet, för att vara helt skyddad. En annan ska skyddas av mineraler i själva vattnet. Janice och Lynn Rothschild arbetar med ett projekt som undersöker järnoxidminerals roll i vatten som ett slags UV-sköld.
I frånvaro av syre skulle järnet i vatten vara närvarande som järnoxid. (När du har mer syre oxiderar järnet ytterligare; det blir järnhaltigt och tappar ut.) Järnoxid kan eventuellt ha spelat rollen som en ultraviolett sköld i de tidiga haven, eller i tidiga dammar eller sjöar. För att undersöka hur bra det är som en potentiell UV-skärm finns det några mätningar du kanske vill göra, inklusive mätningar i naturliga miljöer, till exempel i Yellowstone. Och än en gång finns det en mikrobiologisk komponent i arbetet, med Lynn's engagemang.
Detta är relaterat till projektet som Nathalie Cabrol och Edmond Grin bedriver, ur ett annat perspektiv. Nathalie och Edmond är mycket intresserade av Mars. De är båda i Mars Exploration Rover vetenskapsteam. Förutom deras Mars-arbete utforskar Nathalie och Edmond miljöer på jorden som Mars-analoga platser. Ett av deras undersökningsämnen är strategier för överlevnad i hög UV-miljöer. Det finns en sjö kilometer hög på Licancabur (en vilande vulkan i Anderna). Vi vet nu att det finns ett mikroskopiskt liv i sjön. Och vi skulle vilja veta vad är dess strategier för att överleva i UV-miljön där? Och det är ett annorlunda, mycket empiriskt sätt att komma till denna fråga om hur livet överlevde i den hög-UV-miljö som fanns på den tidiga jorden.
Dessa fyra projekt är alla kopplade, eftersom de har att göra med ökningen av syre på den tidiga jorden, hur organismer överlevde innan det fanns betydande syre i atmosfären, och sedan, hur allt detta hänför sig till Mars.
Originalkälla: Astrobiology Magazine
