Чтобы узнать больше о юности нашей планеты, ученые все чаще обращаются к необычным «архивам» — и один из них оказался прямо над нашими головами. Аспирант-астробиолог Джаред Лэндри из Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токио предложил использовать в качестве зеркала ранней Земли Луну. В своем новом исследовании Лэндри провел анализ образцов грунта, полученных в ходе программы «Аполлон» с видимой стороны Луны. Дело в том, что газы из верхних слоев земной атмосферы на протяжении миллиардов лет уносятся в космос и частично осаждаются на лунной поверхности — соответственно, лунный грунт может рассказать нам об атмосфере древней Земли.
Механизм осаждения газов следующий. В верхней атмосфере часть молекул и атомов ионизируется, то есть получает электрический заряд. Эти заряженные частицы подхватываются магнитным полем солнечного ветра и через специфический «выходной канал» утекают в космос. Двигаясь по орбите Луна проходит через этот поток и оказывается под «дождем» из частиц земного происхождения. По словам Лэндри, его расчеты показывают, сколько таких частиц должно было достигать лунного грунта в разные эпохи, в частности в архее — промежутке между 4 и 2,5 миллиардами лет назад.
Почему так важен именно архей? «Архей — один из малоизученнных периодов, особенно в отношении химии атмосферы», отмечает Лэндри. Именно тогда существовали первые океаны и, вероятно, зарождалась жизнь, но прямых геологических свидетельств того времени почти не осталось. При этом атмосфера влияла на температуру, состав океанов и возможные пути предбиохимии — то есть химические процессы, предшествовавшие жизни.
Анализ лунных образцов и сопряженное моделирование привели Лэндри к выводу, что архейская атмосфера Земли была намного богаче серой, чем сейчас. Это значит, что в океан поступало значительно больше соединений серы, создавая благоприятные условия для синтеза сложных органических молекул в воде. При этом, по его оценке, содержание углекислого газа было примерно в сто раз выше нынешнего и лишь немного не достигало уровня в «десятую долю атмосферы» CO₂, который ранее считался необходимым для компенсации более слабого излучения Солнца.
Проблема так называемого «парадокса тусклого молодого Солнца» давно беспокоит ученых: 3,5 миллиарда лет назад светимость Солнца была ощутимо ниже, но геологические данные говорят, что Земля уже имела жидкие океаны. Модель Лэндри показывает, что сочетание высоких уровней CO₂ и метана в атмосфере могло обеспечить достаточно мощный парниковый эффект, чтобы удержать воду в жидкой форме.
Однако столь высокое содержание серы ставит перед наукой новый вопрос: почему она не растворилась полностью в океанах, как это происходит сегодня? «Поддерживать столько серы в виде молекул сложно, значит, должен был действовать какой‑то процесс, которого сейчас нет», говорит Лэндри. По его словам, это могло быть связано либо с более слабым круговоротом воды, либо с более прохладными климатическими условиями в целом; ничего похожего в современной системе Земли мы не наблюдаем.
Все образцы «Аполлона» были собраны на видимой стороне Луны, которая как раз и подвергалась постоянному воздействию потока частиц с Земли. Для такого подхода не играет роли точное место отбора — важно лишь знать возраст породы, чтобы соотнести ее с нужным периодом земной истории.
Следующий шаг — уточнить, насколько теплым был архейский климат и как именно выглядел океан: какие химические виды преобладали, какие пути предбиотической химии работали. Лэндри отмечает, что его методика, по сути, универсальна: аналогичные оценки можно применять и к другим телам, включая Марс, его спутник Фобос и, возможно, ледяные луны внешней Солнечной системы.
Что касается самой Земли, то новая картина не обязательно означает, что жизнь развивалась «быстрее» — скорее, она просто формировалась в иной химической среде, чем часто предполагают современные модели. «Сера, вероятно, недооценена, — говорит Лэндри. — Многие ученые сейчас пытаются понять, какую роль она сыграла в начале и развитии жизни на Земле».
Ранее ученые выяснили, почему произошла кислородная катастрофа на Земле 2,45 млн лет назад.