Bagaimana badai matahari bisa memulai kehidupan di Bumi

Sebuah studi baru mengemukakan bahwa blok bangunan pertama kehidupan di Bumi, yaitu[{” attribute=””>amino acids and carboxylic acids, may have been formed due to solar eruptions. The research suggests that energetic particles from the sun during its early stages, colliding with Earth’s primitive atmosphere, could have efficiently catalyzed essential chemical reactions, thus challenging the traditional “warm little pond” theory.

The first building blocks of life on Earth may have formed thanks to eruptions from our Sun, a new study finds.

A series of chemical experiments show how solar particles, colliding with gases in Earth’s early atmosphere, can form amino acids and carboxylic acids, the basic building blocks of proteins and organic life. The findings were published in the journal Life.

To understand the origins of life, many scientists try to explain how amino acids, the raw materials from which proteins and all cellular life, were formed. The best-known proposal originated in the late 1800s as scientists speculated that life might have begun in a “warm little pond”: A soup of chemicals, energized by lightning, heat, and other energy sources, that could mix together in concentrated amounts to form organic molecules.

Artist’s concept of Early Earth. Credit: NASA

In 1953, Stanley Miller of the University of Chicago tried to recreate these primordial conditions in the lab. Miller filled a closed chamber with methane, ammonia, water, and molecular hydrogen – gases thought to be prevalent in Earth’s early atmosphere – and repeatedly ignited an electrical spark to simulate lightning. A week later, Miller and his graduate advisor Harold Urey analyzed the chamber’s contents and found that 20 different amino acids had formed.

“That was a big revelation,” said Vladimir Airapetian, a stellar astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and coauthor of the new paper. “From the basic components of early Earth’s atmosphere, you can synthesize these complex organic molecules.”

But the last 70 years have complicated this interpretation. Scientists now believe ammonia (NH3) and methane (CH4) were far less abundant; instead, Earth’s air was filled with carbon dioxide (CO2) and molecular nitrogen (N2), which require more energy to break down. These gases can still yield amino acids, but in greatly reduced quantities.

Seeking alternative energy sources, some scientists pointed to shockwaves from incoming meteors. Others cited solar ultraviolet radiation. Airapetian, using data from NASA’s Kepler mission, pointed to a new idea: energetic particles from our Sun.

Kepler observed far-off stars at different stages in their lifecycle, but its data provides hints about our Sun’s past. In 2016, Airapetian published a study suggesting that during Earth’s first 100 million years, the Sun was about 30% dimmer. But solar “superflares” – powerful eruptions we only see once every 100 years or so today – would have erupted once every 3-10 days. These superflares launch near-light speed particles that would regularly collide with our atmosphere, kickstarting chemical reactions.

Energi dari Matahari muda kita 4 miliar tahun yang lalu membantu menciptakan molekul-molekul di atmosfer bumi yang memungkinkannya menjadi cukup panas untuk menampung kehidupan. Kredit: Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA/Jenna Duberstein

“Segera setelah saya menerbitkan makalah itu, tim dari Universitas Nasional Yokohama menghubungi saya dari Jepang,” kata Airapetian.

Dr. Kobayashi, seorang profesor kimia di sana, telah menghabiskan 30 tahun terakhir mempelajari kimia prebiotik. Dia mencoba memahami bagaimana sinar kosmik galaksi – partikel dari luar tata surya kita – dapat memengaruhi atmosfer Bumi purba. “Sinar kosmik galaksi diabaikan oleh sebagian besar peneliti karena memerlukan peralatan khusus, seperti akselerator partikel,” kata Kobayashi. “Saya cukup beruntung memiliki akses ke beberapa di antaranya di dekat fasilitas kami.” Sedikit modifikasi pada pengaturan eksperimen Kobayashi dapat menguji gagasan Airapetian.

Airapetian dan Kobayashi serta kolaboratornya menciptakan campuran gas yang sesuai dengan atmosfer awal Bumi seperti yang kita pahami sekarang. Mereka mengumpulkan karbon dioksida, nitrogen molekuler, air, dan metana dalam jumlah bervariasi. (Proporsi metana di atmosfer Bumi awal tidak pasti tetapi dianggap rendah.) Mereka menembakkan campuran gas dengan proton (mensimulasikan partikel matahari) atau menyulutnya dengan pelepasan percikan (mensimulasikan kilat), mengulangi percobaan Miller-Urey untuk perbandingan.

Selama kandungan metana lebih besar dari 0,5%, campuran yang dilepaskan oleh proton (partikel energi matahari) menghasilkan asam amino dan asam karboksilat dalam jumlah yang dapat dideteksi. Tetapi pelepasan percikan (petir) membutuhkan konsentrasi metana sekitar 15% sebelum asam amino dapat terbentuk sama sekali.

“Bahkan ketika 15% metana hadir, laju produksi asam amino oleh petir jutaan kali lebih rendah daripada produksi proton,” tambah Airapetian. Proton juga cenderung menghasilkan lebih banyak asam karboksilat (pengada asam amino) daripada yang dipicu oleh percikan api.

Tampilan jarak dekat dari letusan gunung berapi matahari, termasuk semburan matahari, lontaran massa koronal, dan peristiwa letusan gunung berapi matahari. Kredit: Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA

Semuanya sama, partikel matahari tampaknya menjadi sumber energi yang lebih efisien daripada petir. Semuanya tidak sama, saran Airapetian. Miller dan Urey berhipotesis bahwa petir biasa terjadi pada masa “kolam kecil yang hangat” seperti saat ini. Tapi petir, yang berasal dari awan petir yang terbentuk dari naiknya udara hangat, akan menjadi sekitar 30% lebih jarang terjadi di bawah sinar matahari yang redup.

“Selama kondisi dingin, Anda tidak pernah memiliki petir, dan Bumi purba berada di bawah sinar matahari yang sangat redup,” kata Airapetian. “Itu tidak berarti itu tidak bisa berasal dari petir, tetapi petir tampaknya lebih kecil kemungkinannya sekarang, dan partikel matahari tampaknya lebih mungkin.”

Eksperimen ini menunjukkan bahwa Matahari kita yang muda dan energik dapat menginduksi prekursor kehidupan dengan lebih mudah, dan mungkin lebih awal, daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Referensi: “Pembentukan Asam Amino dan Asam Karboksilat dalam Reduksi Lemah Atmosfer Planet oleh Partikel Surya dari Matahari Muda” oleh Kensei Kobayashi Jun-ichi Ise, Ryuhei Aoki, Mei Kinoshita, Koki Naito, Takumi Udo, Bhagawati Konivore Takahashi, Hiromi Shibata, Hajime Mita, Hitoshi Fukuda, Yoshiyuki Oguri Kimitaka Kawamura, Yoko Kibukawa, and Vladimir S. Irpetian, 28 Apr 2023 Tersedia di sini. kehidupan.
DOI: 10.3390/life13051103