Предполагается, что хаос молний, сверкающих в небе, играет ключевую роль в высвобождении таких элементов, как фосфор, делая его более доступным для растущей жизни на древней Земле.
Теперь ученые нашли геологические доказательства того, что разряды молний, связанные с вулканическими событиями, возможно, также играли роль в фиксации азота, делая его доступным и для биологических процессов. Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Поскольку считается, что Земля когда-то была значительно более вулканически нестабильной в молодые годы, это открытие предполагает, что безудержный вулканизм может иметь решающее значение для возникновения жизни, какой мы ее знаем.
«Впервые значительные количества нитратов были обнаружены в вулканических отложениях в результате очень крупных взрывных извержений», — пишет группа ученых под руководством геолога Аделины Ароскей из Университета Сорбонны. «Эти результаты обеспечивают геологическое подтверждение уникальной роли субаэральных взрывных извержений в энергозатратных процессах, которые сыграли важную роль в обеспечении строительных блоков жизни во время ее появления на Земле».
Каким-то образом, когда Земля была дикой и молодой, процессы на нашей планете превратили смесь ингредиентов в вещество, необходимое для запуска жизни. Одна из вещей, необходимых для жизни, — это азот, необходимое питательное вещество для построения таких веществ, как белки, аминокислоты и нуклеиновые кислоты.
На Земле много азота; около 78 процентов атмосферы состоит из этого вещества. Но биология не может получить доступ к нему в атмосферной форме молекулярного азота, или N 2 ; атомы азота необходимо разделить и присоединить к другим атомам, чтобы образовать более реакционноспособные соединения, такие как нитраты или аммиак.
Теперь, когда жизнь существует, биологические процессы, подобные тем, которые происходят у микробов, живущих в корнях растений, могут ускорить этот процесс. Человеческие промышленные технологии также могут закачивать азот и откачивать такие соединения, как аммиак, за счет загрузки резервуара.
Но прежде чем появилась жизнь, был необходим небиологический процесс, чтобы запустить азотфиксацию. И здесь в игру вступает электричество – молния. Электрические разряды способны фиксировать азот, как впервые было установлено в 1784 году.
А поскольку во время извержений вулканов, вызванных огромными клубящимися облаками пепла, молнии настолько распространены, учёные предположили, что вулканические молнии могли сыграть роль в запуске азотного цикла до того, как жизнь пробралась в мир.
Экспериментальные исследования показали, что это возможно, но геологических доказательств связывания азота в результате этого процесса на Земле мало.
Ароскей и ее команда обнаружили доказательства этого в виде нитратов, содержащихся в древних вулканических отложениях. Они собрали образцы из ряда вулканических отложений в результате эксплозивных извержений в Турции и Перу, произошедших между 1,6 и 20 миллионами лет назад, и специально искали нитраты, которые являются конечным продуктом окисления азота.
Они обнаружили значительные концентрации нитратов во всех отобранных ими отложениях, причем особенности указывали на то, что большая их часть образовалась во время извержений вулканов. По словам исследователей, это было примечательно.
Они также отобрали образцы более молодых вулканических отложений возрастом примерно от 75 000 до 55 000 лет, образовавшихся в результате менее взрывных извержений; там тоже нашли нитраты.
Не было никакой корреляции между возрастом месторождения и концентрацией нитратов, а это означает, полагают исследователи, что отложение соединений не является результатом постепенных процессов, происходящих в течение длительного времени. Нитраты одним махом сбрасываются в вулканическую породу.
Концентрации серы и хлора в отложениях также соответствовали вулканическому происхождению. В совокупности это говорит о том, что вулканические молнии могут связывать азот в достаточно значительных количествах, чтобы сыграть роль в возникновении жизни.
И это может дать нам инструмент для интерпретации других залежей нитратов по всему миру. Например, в пустыне Атакама присутствие нитратов объяснялось атмосферными отложениями, поскольку считалось, что соотношения изотопов кислорода невозможны при вулканических отложениях. Результаты команды показывают, что такие связи возможны в случае крупных взрывных событий.
«Обнаружение нитрата в вулканических отложениях делает их первыми полевым свидетельством и геологическим архивом фиксации азота вулканическими молниями, и это может иметь важные последствия», — пишут исследователи. «По нашим оценкам, во время крупного взрывного события может быть зафиксировано в среднем около 60 тераграммов азота. Наши результаты указывают на уникальную роль, которую потенциально могут сыграть субаэральные взрывные извержения в поставке необходимых ингредиентов для возникновения жизни на Земле».
