Prebiotisk atmosfär

Den bleka orange pricken , en konstnärs intryck av den tidiga jorden som tros ha sett orange ut genom dess disiga metanrika prebiotiska andra atmosfär , som är något jämförbar med Titans atmosfär

Den prebiotiska atmosfären är den andra atmosfären som finns på jorden före dagens biotiska, syrerika tredje atmosfär och efter den första atmosfären av jordens bildning. Bildandet av jorden, för ungefär 4,5 miljarder år sedan, involverade flera kollisioner och sammansmältning av planetariska embryon. Detta följdes av en period på <100 miljoner år på jorden där ett magmahav fanns, atmosfären var huvudsakligen ånga och yttemperaturerna nådde upp till 8 000 K (14 000 °F). Jordens yta svalnade sedan och atmosfären stabiliserades, vilket etablerade den prebiotiska atmosfären. Miljöförhållandena under denna tidsperiod var helt annorlunda än idag: solen var ungefär 30 % svagare totalt sett men ändå ljusare vid ultravioletta och röntgenvåglängder, det fanns ett flytande hav , det är okänt om det fanns kontinenter men oceaniska öar var sannolikt, Jordens inre kemi (och därmed vulkanisk aktivitet) var annorlunda, och det fanns ett större flöde av stötar (t.ex. kometer och asteroider ) som träffade jordens yta.

Studier har försökt begränsa sammansättningen och naturen av den prebiotiska atmosfären genom att analysera geokemiska data och använda teoretiska modeller som inkluderar vår kunskap om den tidiga jordens miljö. Dessa studier indikerar att den prebiotiska atmosfären sannolikt innehöll mer CO ₂ än den moderna jorden, hade N ₂ inom en faktor 2 av de moderna nivåerna och hade försvinnande låga mängder O ₂ . Atmosfärskemin tros ha varit " svagt reducerad ", där reducerade gaser som CH ₄ , NH ₃ och H ₂ var närvarande i små mängder. Sammansättningen av den prebiotiska atmosfären ändrades sannolikt periodvis av stötfaktorer, vilket tillfälligt kan ha orsakat att atmosfären har blivit "starkt reducerad".

Att begränsa sammansättningen av den prebiotiska atmosfären är nyckeln till att förstå livets ursprung , eftersom det kan underlätta eller hämma vissa kemiska reaktioner på jordens yta som tros vara viktiga för bildandet av den första levande organismen. Livet på jorden uppstod och började modifiera atmosfären för minst 3,5 miljarder år sedan och möjligen mycket tidigare, vilket markerar slutet på den prebiotiska atmosfären.

Miljösammanhang

Etablering av den prebiotiska atmosfären

Jorden tros ha bildats för över 4,5 miljarder år sedan genom att material från solnebulosan samlats upp . Jordens måne bildades i en kollision, det månbildande nedslaget, som tros ha inträffat 30-50 miljoner år efter att jorden bildades. I denna kollision kolliderade ett föremål i Marsstorlek vid namn Theia med den primitiva jorden och resterna av kollisionen bildade månen. Kollisionen tillförde sannolikt tillräckligt med energi för att smälta det mesta av jordens mantel och förånga ungefär 20 % av den, vilket värmde jordens yta till så högt som 8 000 K (~14 000 ° F). Jordens yta i efterdyningarna av det månbildande nedslaget kännetecknades av höga temperaturer (~2 500 K), en atmosfär gjord av stenånga och ånga och ett magmahav. När jorden svalnade genom att stråla bort överskottsenergin från nedslaget stelnade magmahavet och flyktiga ämnen delades upp mellan manteln och atmosfären tills ett stabilt tillstånd nåddes. Det uppskattas att jorden övergick från den varma miljön efter påverkan till en potentiellt beboelig miljö med jordskorpans återvinning, om än annorlunda än modern plattektonik , ungefär 10-20 miljoner år efter månbildande påverkan, för cirka 4,4 miljarder år sedan. Atmosfären som finns från denna tidpunkt i jordens historia fram till livets ursprung kallas den prebiotiska atmosfären.

Det är okänt exakt när livet uppstod. Det äldsta direkta beviset för liv på jorden är cirka 3,5 miljarder år gammalt, till exempel fossila stromatoliter från nordpolen, västra Australien. Förmodade bevis på liv på jorden från äldre tider (t.ex. 3,8 och 4,1 miljarder år sedan) saknar ytterligare sammanhang som är nödvändiga för att hävda att det verkligen är av biotiskt ursprung, så det diskuteras fortfarande. Således slutade den prebiotiska atmosfären för 3,5 miljarder år sedan eller tidigare, och placerade den i den tidiga arkeiska Eon eller mitten till slutet av Hadean Eon.

Miljöfaktorer

Kunskap om de miljöfaktorer som spelar in på den tidiga jorden krävs för att undersöka den prebiotiska atmosfären. Mycket av det vi vet om den prebiotiska miljön kommer från zirkoner - kristaller av zirkoniumsilikat (ZrSiO _{4 )} . Zirkoner är användbara eftersom de registrerar de fysiska och kemiska processer som sker på den prebiotiska jorden under deras bildning och de är särskilt hållbara. De flesta zirkoner som dateras till den prebiotiska tidsperioden finns vid Jack Hills-formationen i västra Australien, men de förekommer också på andra håll. Geokemiska data från flera prebiotiska zirkoner visar isotopiska bevis för kemisk förändring inducerad av flytande vatten, vilket tyder på att den prebiotiska miljön hade ett flytande hav och en yttemperatur som inte fick det att frysa eller koka. Det är okänt när exakt kontinenterna dök upp ovanför detta flytande hav. Detta lägger till osäkerhet till interaktionen mellan jordens prebiotiska yta och atmosfären, eftersom närvaron av exponerad mark bestämmer hastigheten på vittringsprocesser och ger lokala miljöer som kan vara nödvändiga för att liv ska bildas. Men oceaniska öar var troliga. Dessutom var oxidationstillståndet för jordens mantel troligen annorlunda vid tidiga tidpunkter, vilket förändrar flödet av kemiska arter som levereras till atmosfären från vulkanisk avgasning.

Miljöfaktorer från andra håll i solsystemet påverkade också den prebiotiska jorden. Solen var ungefär 30 % svagare totalt sett under den tid då jorden bildades. Det betyder att växthusgaser kan ha krävts i högre nivåer än idag för att hålla jorden från att frysa. Trots den totala minskningen av energi som kommer från solen, avgav den tidiga solen mer strålning i ultraviolett- och röntgenregimerna än vad den gör för närvarande. Detta indikerar att olika fotokemiska reaktioner kan ha dominerat jordens tidiga atmosfär, vilket har konsekvenser för den globala atmosfärskemin och bildandet av viktiga föreningar som kan leda till livets uppkomst. Slutligen fanns det ett betydligt högre flöde av objekt som påverkade jorden - såsom kometer och asteroider - i det tidiga solsystemet. Dessa impactorer kan ha varit viktiga i den prebiotiska atmosfären eftersom de kan leverera material till atmosfären, skjuta ut material från atmosfären och ändra atmosfärens kemiska natur efter deras ankomst.

Atmosfärisk sammansättning

Den exakta sammansättningen av den prebiotiska atmosfären är okänd på grund av bristen på geokemiska data från tidsperioden. Aktuella studier indikerar generellt att den prebiotiska atmosfären var "svagt reducerad", med förhöjda nivåer av CO ₂ , N ₂ inom en faktor 2 av den moderna nivån, försumbara mängder O ₂ och mer vätebärande gaser än den moderna jorden ( se nedan). Ädelgaser och fotokemiska produkter av de dominerande arterna fanns också i små mängder.

Koldioxid

Koldioxid (CO ₂ ) är en viktig komponent i den prebiotiska atmosfären eftersom den, som växthusgas , starkt påverkar yttemperaturen; Det löser sig också i vatten och kan ändra havets pH. Mängden koldioxid i den prebiotiska atmosfären är inte direkt begränsad av geokemiska data och måste härledas.

Bevis tyder på att karbonat-silikatcykeln reglerar jordens atmosfäriska koldioxidöverflöd på tidsskalor på cirka 1 miljon år. Karbonat-silikatcykeln är en negativ återkopplingsslinga som modulerar jordens yttemperatur genom att fördela kol mellan atmosfären och manteln via flera ytprocesser. Det har föreslagits att processerna i karbonat-silikatcykeln skulle resultera i höga CO ₂ -nivåer i den prebiotiska atmosfären för att kompensera för den lägre energitillförseln från den svaga unga solen. Denna mekanism kan användas för att uppskatta förekomsten av prebiotisk CO ₂ , men den är omdiskuterad och osäker. Osäkerheten drivs främst av bristande kunskap om området med exponerad mark, tidiga jordens inre kemi och struktur, hastigheten för omvänd vittring och havsbottnens vittring, och det ökade flödet av impactor. En omfattande modellstudie tyder på att CO ₂ var ungefär 20 gånger högre i den prebiotiska atmosfären än det förindustriella moderna värdet (280 ppm), vilket skulle resultera i en global genomsnittlig yttemperatur på runt 259 K (6,5 °F) och ett havs-pH runt 7,9 . Detta överensstämmer med andra studier, som generellt drar slutsatsen att den prebiotiska atmosfäriska CO ₂ -förekomsten var högre än den moderna, även om den globala yttemperaturen fortfarande kan vara betydligt kallare på grund av den svaga unga solen.

Kväve

Kväve i form av N ₂ är 78 % av jordens moderna atmosfär i volym, vilket gör det till den gas som finns i vanligast förekommande fall. N ₂ anses allmänt vara en bakgrundsgas i jordens atmosfär eftersom den är relativt oreaktiv på grund av styrkan i dess trippelbindning. Trots detta var atmosfäriskt N ₂ åtminstone måttligt viktigt för den prebiotiska miljön eftersom det påverkar klimatet via Rayleigh-spridning och det kan ha varit mer fotokemiskt aktivt under den förstärkta röntgen- och ultravioletta strålningen från den unga solen. N ₂ var sannolikt också viktig för syntesen av föreningar som tros vara kritiska för livets ursprung, såsom vätecyanid (HCN) och aminosyror härledda från HCN. Studier har försökt begränsa den prebiotiska atmosfären N ₂ med teoretiska uppskattningar, modeller och geologiska data. Dessa studier har resulterat i en rad möjliga begränsningar för förekomsten av prebiotiska N _{2 .} Till exempel antyder en nyligen genomförd modellstudie som inkluderar atmosfärisk flykt , magmahavskemi och utvecklingen av jordens inre kemi att den atmosfäriska N ₂ -förekomsten förmodligen var mindre än hälften av dagens värde. Denna studie passar dock in i ett större arbete som i allmänhet begränsar det prebiotiska N ₂ -överflödet till att vara mellan hälften och dubbelt så högt som den nuvarande nivån.

Syre

Syre i form av O ₂ utgör 21 % av jordens moderna atmosfär i volym. Jordens moderna atmosfäriska O ₂ beror nästan helt och hållet på biologi (det produceras t.ex. under syrehaltig fotosyntes ), så det var inte alls lika rikligt i den prebiotiska atmosfären. Detta är gynnsamt för livets ursprung, eftersom O ₂ skulle oxidera de organiska föreningar som behövs för livets ursprung. Den prebiotiska atmosfären O ₂ överflöd kan teoretiskt beräknas med modeller av atmosfärisk kemi. Den primära källan till O ₂ i dessa modeller är nedbrytningen och efterföljande kemiska reaktioner av andra syrehaltiga föreningar. Inkommande solfotoner eller blixtar kan bryta upp CO _{2 -} och H ₂ O-molekyler och frigöra syreatomer och andra radikaler (dvs. mycket reaktiva gaser i atmosfären). Det fria syret kan sedan kombineras till O ₂ -molekyler via flera kemiska vägar. Hastigheten med vilken O ₂ skapas i denna process bestäms av det inkommande solflödet, blixtens hastighet och mängden av de andra atmosfäriska gaserna som deltar i de kemiska reaktionerna (t.ex. CO 2 , _H 2 _O , OH) , såväl som deras vertikala fördelningar. O ₂ avlägsnas från atmosfären via fotokemiska reaktioner som huvudsakligen involverar H ₂ och CO nära ytan. Den viktigaste av dessa reaktioner börjar när H ₂ delas upp i två H-atomer av inkommande solfotoner. Det fria H reagerar sedan med O ₂ och bildar så småningom H ₂ O, vilket resulterar i ett nettoavlägsnande av O ₂ och en nettoökning av H ₂ O. Modeller som simulerar alla dessa kemiska reaktioner i en potentiell prebiotisk atmosfär visar att en extremt liten atmosfäriskt O ₂ överflöd är troligt. I en sådan modell som antog värden för CO ₂ - och H _{2 -förekomster och källor} , beräknas O _{2 -volymblandningsförhållandet vara mellan 10} ⁻¹⁸ och 10 ⁻¹¹ nära ytan och upp till 10 ⁻⁴ i den övre atmosfären.

Väte och reducerade gaser

Väteförekomsten i den prebiotiska atmosfären kan ses ur perspektivet av reduktion-oxidation (redox) kemi . Den moderna atmosfären oxiderar på grund av den stora mängden atmosfärisk O ₂ . I en oxiderande atmosfär kommer majoriteten av atomerna som bildar atmosfäriska föreningar (t.ex. C) att vara i oxiderad form (t.ex. CO ₂ ) istället för en reducerad form (t.ex. CH ₄ ). I en reducerande atmosfär kommer fler arter att vara i sina reducerade, vanligtvis vätebärande former. Eftersom det fanns väldigt lite O ₂ i den prebiotiska atmosfären, tror man allmänt att den prebiotiska atmosfären var "svagt reducerad" - även om vissa hävdar att atmosfären var "starkt reducerad". I en svagt reducerad atmosfär finns reducerade gaser (t.ex. CH ₄ och NH ₃ ) och oxiderade gaser (t.ex. CO ₂ ) båda närvarande. Den faktiska förekomsten av H ₂ i den prebiotiska atmosfären har uppskattats genom att göra en beräkning som tar hänsyn till den hastighet med vilken H ₂ vulkaniskt avgasas till ytan och den hastighet med vilken den flyr ut i rymden . En av dessa nya beräkningar indikerar att förekomsten av H _{2 i den prebiotiska atmosfären} var omkring 400 ppm, men kunde ha varit betydligt högre om källan från vulkanisk utgasning förbättrades eller om luftflykten var mindre effektiv än förväntat. Förekomsten av andra reducerade arter i atmosfären kan sedan beräknas med modeller av atmosfärisk kemi.

Atmosfärer efter kollisionen

Det har föreslagits att det stora flödet av impactorer i det tidiga solsystemet kan ha väsentligt förändrat naturen hos den prebiotiska atmosfären. Under den prebiotiska atmosfärens tidsperiod förväntas det att några få asteroidnedslag som är tillräckligt stora för att förånga haven och smälta jordens yta kunde ha inträffat, med mindre nedslag förväntas i ännu större antal. Dessa effekter skulle avsevärt ha förändrat kemin i den prebiotiska atmosfären genom att värma upp den, kasta ut en del av den till rymden och leverera nytt kemiskt material. Studier av atmosfärer efter påverkan tyder på att de skulle ha gjort att den prebiotiska atmosfären minskat kraftigt under en tid efter en stor påverkan. I genomsnitt innehöll slagkroppar i det tidiga solsystemet kraftigt reducerade mineraler (t.ex. metalliskt järn) och berikades med reducerade föreningar som lätt kommer in i atmosfären som en gas. I dessa starkt reducerade atmosfärer efter anslaget skulle det finnas betydligt högre mängder av reducerade gaser som CH ₄ , HCN och kanske NH ₃ . Minskade atmosfärer efter att havet kondenserats förutspås hålla i upp till tiotals miljoner år innan de återgår till bakgrundstillståndet.

Förhållande till livets ursprung

Den prebiotiska atmosfären kan tillföra kemiska ingredienser och underlätta miljöförhållanden som bidrar till syntesen av organiska föreningar som är involverade i livets uppkomst. Till exempel syntetiserades potentiella föreningar involverade i livets ursprung i Miller-Urey-experimentet . I detta experiment måste antaganden göras om vilka gaser som fanns i den prebiotiska atmosfären. Föreslagna viktiga ingredienser för livets ursprung inkluderar (men är inte begränsade till) metan (CH ₄ ), ammoniak (NH ₃ ), fosfat, vätecyanid (HCN), olika organiska ämnen och olika fotokemiska biprodukter. Atmosfärens sammansättning kommer att påverka stabiliteten och produktionen av dessa föreningar på jordens yta. Till exempel kan den "svagt reducerade" prebiotiska atmosfären producera vissa, men inte alla, av dessa ingredienser via reaktioner med blixtnedslag. Å andra sidan förbättras produktionen och ursprungsstabiliteten för livsingredienser i en starkt reducerad atmosfär avsevärt, vilket gör atmosfärer efter kollisionen särskilt relevanta. Det föreslås också att de förutsättningar som krävs för livets uppkomst skulle kunna ha uppstått lokalt, i ett system som är isolerat från atmosfären (t.ex. en hydrotermisk ventil ). Men föreningar som cyanider som används för att göra nukleobaser av RNA skulle vara för utspädda i havet, till skillnad från sjöar på land. När livet väl uppstod och började interagera med atmosfären, övergick den prebiotiska atmosfären till den postbiotiska atmosfären, per definition.