В астробиологии и планетологии «зона Златовласки» (или «принцип Златовласки») — это метафорическое понятие, описывающее узкий и строго определенный диапазон условий, при которых возможно возникновение и поддержание жизни: там, где не слишком жарко и не слишком холодно, и где есть возможность для наличия воды в жидком виде. Ученые всегда искали признаки обитаемости, фокусируясь именно на воде и «умеренных» температурных зонах.
Однако новое исследование, проведенное в Цюрихском политехническом институте, предлагает взглянуть глубже — в самую колыбель планеты, в момент ее рождения. Оказывается, шанс на возникновение жизни определяется не столько текущими условиями на поверхности, сколько тончайшим химическим балансом, установившимся миллиарды лет назад, когда металлическое сердце планеты только начинало биться. И ключ к этому балансу — в точном количестве кислорода, который может сыграть решающую роль в судьбе двух скромных, но жизненно важных элементов: фосфора и азота.
Исследование, проведенное Крейгом Уолтоном под руководством профессора Марии Шенбехлер и опубликованное в журнале Nature Astronomy, раскрывает, что процесс формирования планетарного ядра напоминает космическую рулетку. В эпоху, когда протопланета представляет собой бурлящий океан магмы, происходит разделение веществ: тяжелые элементы, такие как железо и никель, опускаются, формируя ядро, а более легкие образуют мантию и будущую кору. Судьба же элементов, критических для биохимии, целиком зависит от химической среды этого процесса.
Фосфор, незаменимый для создания молекул ДНК, РНК и клеточных энергоносителей (АТФ), и азот — фундаментальный компонент всех белков — оказываются в крайне уязвимом положении. Если в расплавленной породе в момент формирования ядра слишком мало кислорода, фосфор образует сплавы с железом и безвозвратно опускается в глубины ядра, становясь недоступным для будущей биосферы.
Если же кислорода, напротив, слишком много, фосфор хотя и остается в мантии, но азот при этом улетучивается в атмосферу и теряется в космическом пространстве. Таким образом, оба сценария ведут к химическому бесплодию.
Путем сложного компьютерного моделирования ученые продемонстрировали, что существует исключительно узкий диапазон концентрации кислорода — так называемая «химическая зона Златовласки», — где оба элемента, фосфор и азот, в достаточном количестве остаются в мантийном резервуаре планеты, чтобы впоследствии участвовать в построении жизни.
В оригинальной английской сказке «Три медведя» (в русском варианте «Маша и три медведя») Златовласка выбирает то, что подходит ей «в самый раз» — то есть не экстремальное, а умеренное, оптимальное.
- Каша: из трех мисок она съела кашу из средней миски, потому что каша в большой миске была слишком горячей, а в маленькой — слишком холодной.
- Стул: из трех стульев она села на средний стул, потому что большой был слишком высоким и жестким, а маленький — слишком низким (и в итоге сломался).
- Кровать: из трех кроватей она заснула на средней кровати, потому что большая была слишком твердой, маленькая — слишком мягкой, а средняя оказалась «в самый раз».
Именно этот принцип — «не слишком много и не слишком мало, а оптимально» — и дал название научному термину. В контексте астробиологии это означает, что для зарождения жизни условия должны быть не экстремальными, а попадать в узкий, идеально сбалансированный диапазон, как каша, стул и кровать для Златовласки. С учетом нового исследования, этот диапазон становиться еще более ограниченный.
Земля, как показывает исследование, оказалась именно в этом уникальном диапазоне около 4.6 миллиардов лет назад. Малейшее отклонение в ту или иную сторону лишило бы ее одного из критических «кирпичиков жизни».
Для сравнения, в случае Марса уровень кислорода при формировании вышел за пределы этой зоны, что и предопределило дефицит доступных фосфора и азота, сделав его необитаемым на фундаментальном химическом уровне.
Исследование может изменить парадигму астробиологического поиска. Оно предполагает, что многие миры, даже обладающие океанами жидкой воды, наподобие K2-18 b, и казалось бы благоприятным климатом, могут быть изначально «мертворожденными» из-за химического дисбаланса, заложенного в эпоху их формирования.
Следовательно, при поиске жизни во Вселенной может понадобиться сузить фокус. Поскольку химический состав планетной системы в значительной степени наследуется от материала ее звезды, наиболее перспективными кандидатами становятся системы, вращающиеся вокруг звезд, по химическому составу похожих на наше Солнце.