Kako su mladi Mjesec i vodena para pripremili recept za život na Zemlji

Prije 4,5 milijardi godina Zemlja je bila posve drukčiji svijet: površinom su dominirali oceani magme, atmosfera je bila gusta i otrovna za današnje oblike života, a Mjesec je na nebu izgledao mnogo veće nego danas. Novi model istraživača s Astronomskog instituta Kapteyn pokazuje da ta vruća faza Zemlje možda nije završila brzo. Mjesec, tada mnogo bliže planetu, i atmosfera bogata vodenom parom mogli su stotinama milijuna godina održavati uvjete u kojima se kasnije mogla pripremati kemija važna za život.

Zemlja je nakon nastanka Mjeseca bila svijet magme

Rana Zemlja nije bila planet s oceanima, kontinentima i stabilnom korom kakve poznajemo danas. Nakon golemog udara iz kojeg je nastao Mjesec, njezini vanjski slojevi prošli su kroz fazu oceana magme. Površina i plitki dijelovi unutrašnjosti bili su velikim dijelom pregrijani i rastopljeni, dok se planet postupno hladio.

Dugo se smatralo da takva faza nije mogla trajati osobito dugo. Stijena se s vremenom hladi, kristalizira i stvara čvršću površinu. No novi znanstveni rad pokazuje da je taj proces mogao biti mnogo sporiji.

Razlog je u dvama procesima koji su djelovali u suprotnim smjerovima. Zemlja je izbacivala toplinu u svemir i pokušavala se hladiti. Istodobno ju je mladi Mjesec, mnogo bliži nego danas, grijao iznutra.

Današnji Mjesec podiže morske mijene. U najranijoj povijesti Zemlje njegov je gravitacijski utjecaj bio znatno snažniji. Budući da je bio mnogo bliže, mogao je deformirati Zemljinu unutrašnjost i stvarati dodatnu toplinu. Taj proces poznat je kao plimno zagrijavanje.

Vodena para sprječavala je brz gubitak topline

Drugi ključni proces odvijao se iznad užarene površine. Ocean magme ispuštao je plinove i stvarao gustu ranu atmosferu. U nekim scenarijima ona je sadržavala velike količine vodene pare.

Vodena para snažno zadržava toplinu. Zbog toga rana Zemlja nije mogla lako gubiti višak energije u svemir. Dok je planet zračio toplinu prema van, Mjesec ga je iznutra dodatno zagrijavao, a atmosfera bogata vodenom parom usporavala je hlađenje površine.

Istraživači su tu vezu modelirali pomoću planetarnog evolucijskog okvira PROTEUS. Model pokazuje da je Zemlja mogla prolaziti kroz razdoblja globalne radijacijske ravnoteže. U takvom stanju planet u svemir gubi gotovo jednaku količinu topline koliko je dobiva iz unutrašnjosti zbog plimnog djelovanja Mjeseca.

Kada se takva ravnoteža uspostavi, kristalizacija oceana magme može privremeno zastati. Površina se ne učvršćuje brzo, nego se vruća faza planeta produljuje. Prema radu, takva razdoblja zastoja mogla su trajati od 2 milijuna do 320 milijuna godina

Kemija Zemljine unutrašnjosti određivala je trajanje vruće faze

Trajanje oceana magme nije ovisilo samo o tome koliko je Mjesec bio blizu Zemlji ni o količini vodene pare u atmosferi. Jedan od ključnih čimbenika bila je kemija Zemljina plašta.

Autori posebno izdvajaju fugacitet kisika, kemijsko stanje plašta koje određuje kako se u magmi ponašaju voda i drugi hlapljivi spojevi. O tome je ovisilo kada će voda, vodik, metan i drugi plinovi izaći iz unutrašnjosti planeta i prijeći u atmosferu.

Ako je plašt bio oksidirajući, voda se mogla dulje zadržati u unutrašnjosti. Oslobodila bi se tek u kasnijim fazama hlađenja oceana magme. Tada bi u atmosferu ušla kao vodena para i dodatno pojačala zadržavanje topline, čime bi se vruća faza planeta produljila.

Ako su uvjeti u plaštu bili reducirajući, plinovi bi se oslobodili ranije. Atmosfera bi tada imala drukčiji sastav, a dugotrajni ocean magme mogao bi opstati samo uz dovoljno snažno plimno zagrijavanje mladog Mjeseca.

Rana Zemlja zato se nije hladila po jednostavnom obrascu. Koliko će dugo ostati u fazi oceana magme ovisilo je o odnosu između Mjeseca, unutarnje topline, atmosfere i kemije plašta.

Vruća Zemlja mogla je stvarati važne sastojke za život

Na prvi pogled, dugotrajan ocean magme teško je povezati s nastankom života. Površinu je prekrivala užarena stijena, atmosfera je bila gusta, a uvjeti nisu nalikovali ničemu što danas smatramo nastanjivim okolišem.

No u tom se razdoblju mogla stvarati kemija koja će kasnije postati važna. Autori navode da je produljena vruća faza Zemlje mogla pogodovati nastanku prebiotičkih molekula, odnosno kemijskih sastojaka potrebnih za kasniji razvoj života.

U scenarijima u kojima je kemija oceana magme bila dovoljno reducirajuća, model pokazuje da je rana atmosfera mogla imati omjer metana i ugljikova dioksida od približno 0,1. Taj je omjer važan jer pogoduje fotokemijskom stvaranju vodikova cijanida, jedne od molekula koje imaju važnu ulogu u istraživanjima podrijetla života.

Vodikov cijanid danas je otrovan za većinu živih organizama. U kemiji ranog života promatra se iz drukčije perspektive: kao moguća preteča spojeva potrebnih za stvaranje RNA i proteina.

To ne znači da je život nastao dok je Zemlja još bila u fazi oceana magme. Rad ne rješava pitanje podrijetla života. Njegova je važnost u tome što pokazuje kako su uvjeti na vrlo mladoj Zemlji mogli stvoriti dio kemijskog materijala koji će kasnije postati važan za biologiju.

Mjesec u toj slici dobiva znatno veću ulogu nego što mu se obično pripisuje. Dok je bio mnogo bliže Zemlji, mogao je produljiti unutarnje zagrijavanje planeta. Vodena para u atmosferi usporavala je gubitak topline. Zajedno su mogli dati Zemlji više vremena za stvaranje kemije koja je prethodila životu.

Ako se taj scenarij pokaže točnim, potraga za životom izvan Sunčeva sustava ne može se svesti samo na vodu i udaljenost planeta od zvijezde. Važna je i najranija povijest planeta: veliki sudari, mladi mjeseci, sastav atmosfere, trajanje oceana magme i kemija koja se razvijala prije nego što je površina postala pogodna za stabilnije uvjete.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.