Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Historia Ziemi wciąż niezbyt znana. Gruz i błoto

Historia Ziemi wciąż niezbyt znana. Gruz i błoto
O tym, w jaki sposób powstała Ziemia, wiemy niewiele. Bardziej wnioskujemy z zasad fizyki i obserwacji zjawisk w kosmosie, niż mamy jakiekolwiek dowody, że było tak, jak nam się wydaje. Zresztą nie wszystkim wydaje się tak samo.

Najbardziej popularna hipoteza przedstawia się z grubsza tak: ok. 5 mld lat temu część gazu i materii stała się naszym Słońcem. Początkowo była to gorąca, wirująca chmura gazu, która zawierała również cięższe pierwiastki. Kiedy chmura przyspieszyła obroty, zebrała się w dysku protoplanetarnym. Nasza planeta i inne zapewne uformowały się właśnie w tym dysku. Nie wiadomo jednak z całą pewnością, jak Ziemia nabrała swojego kształtu w tej spłaszczonej mgławicy. Główne teorie wiążą się z akrecją, sklejaniem się drobin materii. Pomimo różnic teorie tego typu mają to samo podstawowe założenie - ok. 4,6 mld lat temu, gdy Ziemia powstawała w dysku gazu, nastąpił "zapłon" termojądrowy Słońca, z którego wiatr zdmuchnął wszystkie mniejsze drobiny, pozostawiając Układ Słoneczny w mniej więcej takiej postaci, w jakiej go znamy.

Jedna z wersji głosi, że prawdopodobnie ok. 4,5 mld lat temu nieodległa gwiazda zapadła się w supernową, wyrzucając z siebie z dużą prędkością zewnętrzne warstwy. Powstała w ten sposób fala uderzeniowa (strumień materii), która przechodząc przez mgławicę słoneczną, zainicjowała zagęszczanie się materii, wprawiając ją w ruch obrotowy. W wyniku przyciągania grawitacyjnego zagęszczenie narastało. Obłok przekształcił się w dysk protoplanetarny. Większość masy (ponad 99%) dysku skoncentrowała się w jego centralnej części. Zapadanie grawitacyjne materiału mgławicy przekształcało energię grawitacyjną obłoku w energię cieplną. W centrum mgławicy szybkość przemiany energii grawitacyjnej w cieplną przewyższała szybkość przenoszenia tej energii na zewnątrz, co prowadziło do znacznego rozgrzania się centralnej części dysku. Dalsze zapadanie wywołało reakcję termojądrową przemieniającą atomy wodoru w hel - i Słońce stało się gwiazdą ciągu głównego w swej wczesnej fazie egzystencji.

Kosmiczna kolizja

 

Jednocześnie z tworzeniem się Słońca w wirującym dysku zachodziły procesy tworzenia się planet. Materia wirująca z odpowiednią prędkością nie spadała do centrum. Powstające w dysku niejednorodności narastały i powiększały się, a różnice w prędkości obrotowej sprawiały, że zagęszczenia przyjmowały najpierw formę pierścieni, później zaś, gdy wystąpiły w nich większe gęstości, pod wpływem grawitacji trwał lokalny proces dalszego ich zagęszczania. Sukcesywnie dochodziło do kolizji różnych obiektów, co prowadziło do powiększania ich masy. Ważną rolę odegrały w tym gazy, które wyhamowywały obiekty i umożliwiały im zlepianie się. W ten sposób powstały protoplanety. Jedną z nich, oddaloną od Słońca o ok. 150 mln km, była Ziemia.

Istnieją pomiary laboratoryjne wskazujące, że głównym czynnikiem pobudzającym tworzenie Układu Słonecznego były magnetyczne fale uderzeniowe w chmurze pyłów i gazów otaczających nowo powstałe Słońce. Przy czym stało się to nie w bliskim sąsiedztwie młodej gwiazdy, lecz w odległości znacznie większej - tam, gdzie obecnie znajduje się pas asteroidów. Takie wnioski z badań najstarszych i najbardziej prymitywnych meteorytów, zwanych chondrytami, opublikowali pod koniec ubiegłego roku w "Science" naukowcy z Massachusetts Institute of Technology oraz Uniwersytetu Stanowego w Arizonie.

 

Synestia, czyli kosmiczne ciastko z dziurką

Najbardziej rozpowszechniona hipoteza dotycząca powstania naszej planety zakłada, że miliardy lat temu w wewnętrznym Układzie Słonecznym istniał hipotetyczny obiekt wielkości Marsa - Theia, umiejscowiony tuż przy orbitalnym szlaku protoplanety, z której ukształtowała się ostatecznie Ziemia. Gdy doszło do "wielkiego zderzenia" w przestrzeń kosmiczną wyrzucone zostało mnóstwo materiału, z którego później powstały nasz glob (4,5 mld lat temu) oraz Księżyc. Co zaś stało się dokładnie z Theią, nie wiadomo.

Obecnie niektórzy astronomowie przypuszczają, że takie kosmiczne katastrofy owocują jeszcze bardziej widowiskowymi efektami. Naukowcy stworzyli model obrazujący zderzenie dwóch dużych i gorących ciał niebieskich o podobnej masie obrotowej. Stwierdzili, że najbardziej agresywne z takich kolizji wytworzyłyby synestię - osobliwe halo gazowe powstałe z rozpuszczonych skał, wirujących wokół płynnego rdzenia. Nowo powstały obiekt, żyjący jedynie przez kilkaset lat, miałby znacznie większą objętość niż obiekty, które się zderzyły. Nie byłoby na nim ani cieczy, ani obiektów stałych. Byłby również większych rozmiarów niż planeta otoczona dyskiem kosmicznego gruzu.

 Wizualizacja synestii
 

Zespół astronomów z Uniwersytetu Harvarda zaproponował w 2017 r. hipotezę, zgodnie z którą po około stuleciu trwania w tej formie - czyli zaledwie krótkiej chwili życia planety - synestia traci tyle ciepła, iż z powrotem zastyga do skalistej postaci. Harwardzcy uczeni przypuszczają, że większość obecnych planet była początkowo synestiami.

Jedną z zalet takiego wyjaśnienia byłby fakt, że obiekt synestialny może pojawić się wskutek różnych scenariuszy. Nie jest konieczne, by doszło do zderzenia w określony sposób z obiektem o określonej masie. Gdy Ziemia uformowała obiekt synestialny, część skał znalazła się na jego orbicie, dając początek Księżycowi. Materiał kondensował się na tych skałach, a w międzyczasie Ziemia kurczyła się, powracając do formy planety skalistej. Przez to Księżyc odziedziczył wiele ze składu Ziemi, ale ponieważ uformował się w wysokich temperaturach, utracił niektóre z pierwiastków, co wyjaśnia różnice w składzie obu ciał niebieskich.

Kluczowym ograniczeniem każdego scenariusza pochodzenia Księżyca jest wyjaśnienie, dlaczego ma on tak mało, w porównaniu do Ziemi, pierwiastków lotnych, takich jak tlen i dwutlenek węgla. Naukowcy oszacowali, że torus synestii osiągnąłby wysoką temperaturę i ciśnienie. W miarę ochładzania najłatwiejsze do odparowania elementy pozostają w fazie gazowej dłużej, więc mniej z nich trafia do Księżyca.

Model synestii wywołał mieszane reakcje w szeregach planetologów. Niektórzy z nich przyjmują to jako potencjalne rozwiązanie problemów teorii wielkich zderzeń, ale inni pozostają sceptyczni.

Tradycyjny model akrecji i zlepiania się drobin tworzących ciała Układu Słonecznego też nie jest zresztą przyjmowany bezkrytycznie. Opublikowane w ubiegłym roku w czasopiśmie "Science Advances" wyniki badań sugerują, że wiele z oryginalnych planetarnych elementów naszego Układu Słonecznego mogło w rzeczywistości zacząć funkcjonować nie jako asteroidy skaliste, ale jako gigantyczne kule ciepłego błota.

Phil Bland, planetolog z Uniwersytetu Curtin, twierdzi, że jest możliwe, aby błoto pojawiło się, gdy lód topił się wskutek ciepła uwalnianego z rozpadu radioaktywnych izotopów - zrodzona w ten sposób woda mieszałaby się z drobnoziarnistym pyłem. Symulacje przeprowadzone za pomocą systemu modelowania hydrologicznego MAGHNUM wykazują, że początkiem znacznej liczby pierwszych asteroidów, które dostarczały wodę i materiał organiczny na planety, mogły być gigantyczne błotne kule konwekcyjne. Przy okazji mamy tu wkład do teorii pojawienia się wody na Ziemi, których jest zresztą całe mnóstwo.

Młoda Ziemia - wizualizacja

 

Życie dziwnie blisko epoki piekielnej

Początkowo Ziemia była bardzo gorąca i wulkaniczna. Stała skorupa powstała w trakcie schładzania planety, a uderzenia asteroid i innych odłamków spowodowały wytworzenie się wielu kraterów. Kiedy glob nadal się ochładzał, woda wypełniała baseny, powstające na powierzchni, tworząc oceany. Poprzez trzęsienia ziemi, erupcje wulkaniczne i inne czynniki powierzchnia planety w końcu osiągnęła kształt, jaki znamy dzisiaj.

Tak mniej więcej brzmi najbardziej znana teoria.

Ziarna grafitu w formacji Sanglek

Przy założeniu, że przez przynajmniej kilkaset milionów lat trwała na naszej planecie piekielna epoka hadejska, trudno sobie wyobrazić powstanie życia, zanim Ziemia porządnie nie ostygła. A jednak kolejne odkrycia krok po kroku przesuwają w przeszłość możliwość pojawienia się żywych organizmów.

  • Kilka miesięcy temu na łamach "Nature" badacze z Japonii pisali o grafitowych inkluzjach, które znaleźli w metamorficznych skałach osadowych formacji Saglek na północno-wschodnim wybrzeżu Labradoru, w Kanadzie. Skały te zostały wcześniej datowane na co najmniej 3,95 mld lat. Skład izotopowy grafitu, który analizowali Japończycy, wskazuje na jego organiczne pochodzenie. W mediach odkrycie to zostało przedstawione jako "najstarsze ze znanych śladów ziemskiego życia", jednak w wielu kręgach naukowych panuje co do niego sceptycyzm.

Gdyby to bowiem rzeczywiście było życie, trudno byłoby zakładać, iż rozwinęło się w piekielnym świecie ówczesnej Ziemi. Dużo sensowniejsze wydaje się założenie, że życie przybyło z zewnątrz. Zwłaszcza, że nasza planeta była w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat istnienia intensywnie bombardowana przez kosmiczny gruz.

 

Z asteroidalnego kokonu lub z pyłu

Pod koniec ubiegłego roku astronomowie wykryli pierwszą znaną asteroidę międzygwiezdną, nazwaną Oumuamua. Wyniki jej badania, a głównie zauważona na powierzchni "otulina" z organicznych związków, wspierają hipotezę panspermii, czyli koncepcję, zgodnie z którą to asteroidy zasiały życie na Ziemi. Dokładniej mówiąc - hipotezę litopanspermii, w której kawałek materiału pochodzącego z jakiejś planety (czy to z wnętrza, czy z zewnątrz Układu Słonecznego), zderzając się z inną planetą, dostarcza jej nasion życia. Mogą one być fragmentami RNA/DNA jakiegoś obcego ekstremofila, a nawet tylko organicznymi, biochemicznymi warunkami koniecznymi do życia (proces znany jako pseudo-panspermia). Nie ma co prawda dowodu, że jakiekolwiek najbardziej ekstremalne ekstremofile potrafią przetrwać podróż w przestrzeni kosmicznej, zwłaszcza tę międzygwiezdną, jednak sam fakt istnienia takiej osłony, jaką ma Oumuamua, daje do myślenia.

Od dawna podejrzewano, że przynajmniej część elementów, które przyczyniły się do powstania życia na Ziemi, mogła dotrzeć na naszą planetę wraz z odłamkami kosmicznych skał. Od niedawna mamy kolejne dane sprzyjające tej teorii. Europejska Agencja Kosmiczna ogłosiła, że sonda Rosetta odkryła w komie (ogonie) komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko kilka z tzw. budulców życia, w tym fosfor oraz jeden z aminokwasów - glicynę. Oznacza to, że kolizje tego typu obiektów z Ziemią mogły doprowadzić do zwiększenia stężenia substancji, dzięki którym powstały pierwsze organizmy.

Wcześniej, jeszcze w 2006 r., NASA wykryła glicynę w próbkach pochodzących z ogona komety Wild 2, jednak ich analiza była utrudniona, gdyż podejrzewano, że zostały zanieczyszczone na Ziemi. Naukowcy uważają więc ostatnie wieści za niezwykle ważne, ponieważ w tym przypadku możemy być pewni, że mamy do czynienia z czystymi próbkami.

Ziemia w okresie bombardowania - wizualizacja
 

Glicyna to powszechny składnik białek, natomiast fosfor jest kluczowym elementem budującym DNA. Co ciekawe, nie są to jedyne substancje potrzebne do powstania życia, które odnaleziono na komecie - pozostałe to cyjanowodór i siarkowodór. Według opublikowanego w magazynie "Science" raportu zespołu badawczego pracującego przy misji sondy Rosetta, instrument do badania składu chemicznego, COSAC, wykrył w pyle unoszącym się nad powierzchnią związki alkoholowe, karbonylowe, amidowe, nitrylowe oraz izocyjaniany. Niektóre z nich, jak np. aceton, acetamid i izocyjanian metylowy, nigdy wcześniej nie zostały zaobserwowane na kometach.

Wymienione związki organiczne mogą być bazą do powstawania bardziej złożonych struktur, takich jak cukry, aminokwasy i nawet podstawy DNA, ale żadnych tego rodzaju cząsteczek nie wykryto w sposób jednoznaczny.

Specjaliści z Uniwersytetu Edynburskiego przypuszczają, że żywe organizmy mogły zostać przeniesione na Ziemię wraz ze strumieniami pyłu kosmicznego. Informację o tej hipotezie podała strona phys.org. Naukowcy uważają, że mocne strumienie pyłu kosmicznego przemieszczające się z prędkością do 70 km/s są w stanie przenosić najmniejsze żywe organizmy. Eksperci twierdzą m.in., że pył kosmiczny ciągle bombardujący atmosferę Ziemi jest w stanie wyprzeć poza ziemskie pole grawitacyjne drobne cząsteczki znajdujące się na wysokości 150 km lub więcej nad powierzchnią, co otwiera im drogę do innych planet.

Badacze twierdzą, że podobna sytuacja może mieć miejsce również na owych innych planetach, a więc żywe organizmy potrafią w ten sposób podróżować z jednego ciała niebieskiego na drugie. Jednocześnie specjaliści podkreślają, że niektóre żywe istoty - w tym bakterie, rośliny, niesporczaki (mikroskopijne bezkręgowce) - są w stanie przetrwać tylko w warunkach otwartej przestrzeni kosmicznej, ale takie założenie jedynie potwierdza hipotezę ekspertów.