Арганічныя малекулы знаходзяцца ў рэгіёнах, якія ўтвараюць зоркі, зорныя рэшткі і міжзоркавы газ, і ўсё гэта на Млечным Шляху. У прынцыпе, інгрэдыенты скальных планет і жыццё на іх маглі б узнікнуць у нашым Сусвеце даволі хутка, задоўга да таго, як Зямля існавала. (NASA / ESA і Р. Хамфрыс (Універсітэт Мінесоты))

Спытаеце Этана: Наколькі хутка жыццё можа паўстаць ва Сусвеце?

Для стварэння Зямлі Сусвету спатрэбілася 9,2 мільярда гадоў і яшчэ 4 мільярды для складанага жыцця. Ці маглі б мы хутчэй дабрацца?

Гісторыя пра тое, як Сусвет стаў такім, які ён ёсць сёння, ад Вялікага выбуху да велізарнай пустэчы космасу, заваленага кластарамі, галактыкамі, зоркамі, планетамі і жыццём, - гэта адна агульная гісторыя, якую мы аб’ядноўваем усім. З нашага пункту гледжання на Зямлі прайшло каля 2/3 трэцяй касмічнай гісторыі, перш чым Сонца і Зямля былі нават створаны. Але жыццё з'явілася ў нашым свеце яшчэ ў той час, як мы яго маглі вымераць: магчыма, ажно 4,4 мільярда гадоў таму. Здзіўляешся, калі жыццё ў Сусвеце папярэднічала нашай планеце і, наадварот, наколькі далёкая жыццё можа ісці? Гэта тое, што Мэт Ведэл хоча ведаць, як ён пытаецца:

Як хутка пасля Вялікага выбуху з'явілася б дастаткова цяжкіх элементаў для фарміравання планет і, магчыма, жыцця?

Нават абмежаваўшы сябе тыпам жыцця, які мы прызналі б "падобным да нас", адказ на гэтае пытанне адыходзіць далёка, чым вы маглі сабе ўявіць.

Раскосы графіту, знойдзеныя ў цырконе, адны з самых старажытных доказаў жыцця на Зямлі на аснове вугляроду. Гэтыя адклады і каэфіцыент вугляроду-12, якія яны паказваюць уключэннях, датуюць жыццё на Зямлі больш за 4 мільярды гадоў таму. (EA Bell і інш., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015)

Вядома, мы не можам вярнуцца да самага пачатку Сусвету. Пасля Вялікага выбуху для пачатку не толькі не было ні зорак, ні галактык, але нават атамаў не было. Для фарміравання ўсяго часу патрабуецца час, і Сусвет, які нарадзіўся з морам матэрыі, антыматэрыяй і радыяцыяй, пачаў з'яўляцца месцам, у асноўным раўнамерным. Самыя шчыльныя рэгіёны былі толькі невялікай доляй працэнта - магчыма, 0,003% - шчыльней, чым у сярэднім. Гэта азначае, што спатрэбіцца велізарная колькасць гравітацыйнага калапсу, каб стварыць нешта накшталт планеты, якая прыблізна ў 1030 разоў шчыльней сярэдняй шчыльнасці Сусвету. І тым не менш, Сусвет можа заняць роўна столькі часу, колькі трэба, каб усё гэта адбылося.

Стандартная касмічная шкала гісторыі нашай Сусвету. Хоць Зямля існавала да 9,2 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, шмат крокаў, неабходных для стварэння нашага свету, адбываліся ў вельмі раннія часы. (NASA / CXC / M.Weiss)

Пасля першай секунды альбо антыматэрыі ўсё знішчана з большай часткай рэчывы, пакінуўшы толькі малюсенькі фрагмент пратонаў, нейтронаў і электронаў сярод мора нейтрынаў і фатонаў. Праз 3–4 хвіліны пратоны і нейтроны ўтварылі ўстойлівыя атамныя ядра, але гэта амаль усе ізатопы вадароду і гелія. І толькі тады, калі Сусвет досыць астыне ніжэй пэўнага парога, які займае прыблізна 380 000 гадоў, мы можам звязаць электроны з гэтымі ядрамі, утвараючы нейтральныя атамы ўпершыню. Нават пры наяўнасці гэтых асноўных інгрэдыентаў жыццё - і нават скалістыя планеты - пакуль немагчымае. Атамы вадароду і гелія ў адзіночку проста не абыйдуцца.

Па меры таго, як Сусвет астывае, атамныя ядра ўтвараюць, а затым нейтральныя атамы па меры далейшага астуджэння. Аднак усе гэтыя атамы (практычна) з'яўляюцца вадародам ці геліем, і толькі пасля шматлікіх мільёнаў гадоў, калі ўтвараюцца зоркі, вы зможаце мець больш цяжкія элементы, неабходныя для скальных планет і жыцця. (Э. Зігель)

Але гравітацыйны калапс - рэальная рэч, і калі ўлічыць дастаткова часу, ён зменіць Сусвет. Хоць спачатку гэта адбываецца павольна, ён бязлітасны і будуе на сабе. Чым шчыльней становіцца прастора прасторы, тым лепш становіцца прыцягненне да яго ўсё больш і больш матэрыі. Хутка растуць рэгіёны, якія пачынаюцца з найбольшай шчыльнасцю, і сімуляцыі паказваюць, што самыя першыя зоркі павінны з'явіцца дзесьці 50–100 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху. Гэтыя зоркі павінны быць зроблены выключна з вадароду і гелія, і яны павінны быць здольны расці да вельмі вялікіх мас: у сотні, а можа, і ў тысячу разоў масы нашага Сонца. І калі зорка гэтая масіўная форма, гэта пытанне, магчыма, толькі адзін-два мільёны гадоў, перш чым гэтыя зоркі паміраюць.

Але тое, што адбываецца, калі гэтыя зоркі паміраюць, надзвычай велізарнае з-за таго, як яны жылі. Усе зоркі зліваюць вадарод у гелій у сваіх ядрах, але самыя масіўныя з іх не толькі зліваюць гелій у вуглярод, але потым вуглярод у кісларод, кісларод у неон / магній / крэмній / сера, а потым і далей у перыядычную табліцу, пакуль не атрымаеце на жалеза, нікель і кобальт. Пасля гэтага больш няма куды ісці, і ядро ​​руйнуецца, выклікаючы выбух звышновай. Гэтыя выбухі перапрацоўваюць велізарную колькасць цяпер цяжкіх элементаў у Сусвеце, выклікаючы новыя пакаленні зорак і ўзбагачаючы міжзоркавую сераду. Раптам цяжкія элементы, уключаючы інгрэдыенты, неабходныя нам для камяністых планет і арганічных малекул, зараз запаўняюць гэтыя праталактыкі.

Атомы могуць злучацца, утвараючы малекулы, уключаючы арганічныя малекулы і біялагічныя працэсы, у міжзоркавым космасе, а таксама на планетах. Пасля таго, як у Сусвеце з'явяцца належныя тыпы цяжкіх элементаў, фарміраванне гэтых

Чым больш зорак жыве, гарыць і памірае, тым больш узбагачаецца наступнае пакаленне зорак. Шмат звышновых ствараюць нейтронныя зоркі, і менавіта зліцці нейтронных зорка-нейтронных зорак ствараюць найбольшую колькасць самых цяжкіх элементаў у перыядычнай табліцы. Больш буйныя фракцыі цяжкіх элементаў азначаюць больш скалістыя планеты большай шчыльнасці, большую колькасць элементаў, неабходных для жыцця, як мы яго ведаем, і вялікую верагоднасць для складаных арганічных малекул. Нам не патрэбна сярэдняе месца ў Сусвеце, каб выглядаць як наша Сонечная сістэма; нам проста трэба, каб некалькі пакаленняў зорак жылі і паміралі ў самых шчыльных рэгіёнах космасу, каб стварыць умовы для скалістых планет і арганічных малекул.

У ядры астатку звышновай RCW 103 ёсць вельмі павольна круціцца нейтронная зорка, якая была масіўнай зоркай, якая дасягнула канца свайго жыцця. У той час як звышновыя могуць адпраўляць цяжкія элементы, злітыя ў ядры зоркі назад, у Сусвет, гэта наступныя нейтронныя зорка-нейтронныя зліцця зоркі, якія ствараюць большасць самых цяжкіх элементаў з усіх. (Рэнтген: NASA / CXC / Амстэрдамскі універсітэт / N.Rea і інш; Аптычны: DSS)

На той час Сусвету ўсяго мільярд гадоў, і самыя аддаленыя аб'екты, для якіх мы можам вымераць багацце цяжкіх элементаў, маюць велізарную колькасць вугляроду: столькі, колькі змяшчае наша ўласная Сонечная сістэма. Іншыя цяжкія элементы яшчэ часцей становяцца больш багатымі; вугляроду, магчыма, спатрэбіцца больш часу, каб дасягнуць вялікага багацця, таму што ён у асноўным вырабляецца ў зорак, якія не ідуць звышновай, а не ультрамасіўных. Скалістым планетам не патрэбен вуглярод; іншыя цяжкія элементы будуць рабіць выдатна. (І шматлікія звышновыя будуць ствараць фосфар; не хвалюйцеся, калі апошнія паведамленні ілжыва перабольшваюць яго адсутнасць.) Цалкам верагодна, што толькі праз некалькі сотняў мільёнаў гадоў пасля таго, як уключыліся першыя зоркі - час Сусвету стаіць ад 300 да 500 мільёнаў гадоў - у нас былі скалістыя планеты, якія ўтваралі вакол самых узбагачаных зорак таго часу.

Пратапланетны дыск вакол маладой зоркі Х. Л. Таўры, сфатаграфаваны ALMA. Прабелы ў дыску сведчаць аб наяўнасці новых планет. Пасля таго, як прысутнічаюць дастаткова цяжкія элементы, некаторыя з гэтых планет могуць стаць скалістымі. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Калі б не жыццё для вугляроду, то, верагодна, былі б космасы, якія маглі б пачаць жыццёвыя працэсы і ў гэты час. Але нам патрэбен вуглярод для жыцця, як наша, і гэта азначае, што нам трэба яшчэ крыху пачакаць, каб атрымаць жыццё. Нягледзячы на ​​тое, што атомы вугляроду будуць прысутнічаць, дастаткова вялікае багацце, верагодна, запатрабуе чакання ад 1–1,5 мільярда гадоў: пакуль Сусвет складзе каля 10% свайго цяперашняга ўзросту, а не 3–4%, неабходных для скальных планет. Цікава думаць, што Сусвет стварыў планеты і меў усе інгрэдыенты ў патрэбным багацці, каб стварыць жыццё, акрамя вугляроду, і што для жыцця і смерці самых масіўных зорак, падобных на Сонца, спатрэбіцца жыццё, каб даць нам дастаткова самых важны жыватворны інгрэдыент усіх.

Рэшткі звышновых (L) і планетарныя туманнасці (R) - гэта шлях да таго, як зоркі змогуць перапрацаваць свае згарэлыя цяжкія элементы ў міжзоркавую сераду і наступнае пакаленне зорак і планет. Зоркі, падобныя на Сонца, якія гінуць у планетарных туманнасцях, з'яўляюцца асноўнай крыніцай вугляроду ў Сусвеце. Для атрымання гэтага часу спатрэбіцца больш часу, бо зоркі, якія паміраюць у планетарных туманнасцях, жывуць даўжэй, чым тыя, што гінуць у звышновых. (ESO / Вельмі вялікі тэлескоп / інструмент FORS і каманда (L); NASA, ESA, CR O'Dell (Вандэрбільт) і Д. Томпсан (Вялікі бінакулярны тэлескоп) (R))

Цікава практыкаванне, што калі вы экстраполюеце самыя перадавыя формы жыцця, якія мы знаходзім на Зямлі ў розныя эпохі гісторыі нашай планеты, вы ўбачыце, што геномы маюць складанасць, якая ўзрастае з пэўнай тэндэнцыяй. Калі вы вернецеся назад да адзіночных пар баз, вы атрымаеце лічбу, якая бліжэй да 9–10 мільярдаў гадоў таму, чым 12–13 мільярдаў гадоў таму. Ці гэта сведчанне таго, што жыццё ў нас на Зямлі пачалося задоўга да Зямлі? Акрамя таго, гэта сведчанне таго, што жыццё можа пачацца мільярдамі гадоў раней, але дзе мы знаходзімся, спатрэбілася некалькі мільярдаў гадоў, каб пачаць?

У гэтым паўларыстычным сюжэце складанасць арганізмаў, вымераная даўжынёй функцыянальнай не лішняй ДНК на геном, падлічанай парамі нуклеатыдных асноў (bp), лінейна павялічваецца з часам. Час адлічваецца ў мільярды гадоў да цяперашняга часу (час 0) (Шыраў і Гордан (2013), праз https://arxiv.org/abs/1304.3381)

На гэты момант мы не ведаем. Але ў той жа час мы таксама не ведаем, дзе знаходзіцца лінія паміж жыццём і нежыццём. Мы таксама не ведаем, ці пачалося зямное жыццё тут, на больш ранняй планеце, ці пачалося ў глыбіні міжзоркавага космасу, наогул без планеты.

Шмат амінакіслот, якія не сустракаюцца ў прыродзе, знойдзены ў метэарыце Мерчысан, які ўпаў на Зямлю ў Аўстраліі ў 20 стагоддзі. Той факт, што ў звычайнай старой касмічнай пародзе існуе больш за 80+ унікальных відаў амінакіслот, можа сведчыць аб тым, што інгрэдыенты для жыцця і нават самога жыцця пачаліся зусім не на планеце. (Wikimedia Commons карыстальнік Basilicofresco)

Што неверагодна цікава, гэта тое, што неабходныя для жыцця сырыя элементарныя кампаненты пачалі існаваць неўзабаве пасля таго, як утварыліся першыя зоркі, а самы важны інгрэдыент - вуглярод, чацвёрты па распаўсюджанасці элемент Сусвету - на самай справе самы апошні інгрэдыент. прыкладна ў багацці, якое нам трэба. Скалістыя планеты, прынамсі ў некаторых населеных пунктах, узнікаюць значна раней, чым жыццё можа: усяго праз паўмільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, а можа нават і раней. Аднак, калі мы атрымаем вуглярод, які прайшоў ад 1,5 да 1,5 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, усе крокі, якія мы павінны зрабіць, каб атрымаць арганічныя малекулы, і першыя крокі да жыцця непазбежныя. Якія б жыццёвыя працэсы не адбываліся, каб прывесці да існавання чалавецтва, наколькі лепш, наколькі мы разумеем, яны маглі пачацца, калі Сусвет была ўсяго на дзясятую эпоху.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".