Czy istniejemy dzięki piorunom i wulkanom? Chodzi o związku azotu

Gdyby same erupcje wulkaniczne nie były wystarczająco imponującym zjawiskiem, ognistym eksplozjom towarzyszy często drugie, równie efektowne show. Potężne wyładowania atmosferyczne, których źródłem nie jest normalna burza, ale ogromne ilości wyrzucanego przez wulkan pyłu. 

Wulkaniczne pioruny powstają, bo drobne cząsteczki skał, wyrzucane przez wulkan podczas erupcji, stale zderzają się między sobą. To tarcie powoduje, że zaczynają gromadzić ładunek elektrostatyczny. A ten, tak jak w przypadku “zwyczajnych" błyskawic, znajduje ujście w postaci efektownych wyładowań.

Najnowsze badanie pokazuje, że właśnie taki naturalny pokaz fajerwerków mógł być jedną z podstaw istnienia życia na Ziemi. Pioruny wulkaniczne miały być źródłem związków azotu, które następnie stały się podstawą wszystkich żywych istot na naszej planecie.

Azot jest kluczowy dla życia, bo jest zasadniczym składnikiem aminokwasów, czyli klocków, z których zbudowane są m.in. białka - budulec wszystkiego, co żyje. Choć azot występuje na naszej planecie w dużych ilościach - stanowi ok. 78 proc. ziemskiej atmosfery - nie każda jego forma nadaje się do wykorzystania przez żywe istoty.

Rośliny nie pozyskują azotu wprost z powietrza, zamiast tego wchodzą w “spółkę" z bakteriami, które potrafią przekształcać atmosferyczny gaz w związki takie, jak azotany. Dopiero w takiej postaci azot staje się budulcem podstawowych elementów życia.

I tu pojawia się problem dla naukowców badających to, skąd wzięło się życie na Ziemi. Azot od początku był jego kluczowym budulcem, ale bakterie wiążące azot nie istniały, kiedy na naszej planecie pojawiły się pierwsze żywe istoty. Coś musiało więc przekształcić azot w postać zdatną do wykorzystania przez życie - bez udziału samego życia.

Głównym podejrzanym były od wielu lat błyskawice. Wyładowania atmosferyczne mogą bowiem wytwarzać pewną ilość azotanów. Tego, że pioruny mogły być jednym ze źródeł życia dowiódł już przełomowy eksperyment, przeprowadzony w 1952 r.

Noblista Harold Urey oraz chemik Stanley Miller spróbowali wtedy na Uniwersytecie w Chicago odtworzyć w probówce warunki, które miały panować w atmosferze pierwotnej Ziemi, zanim na planecie pojawiło się życie. Stworzyli więc mieszaninę metanu, amoniaku, wodoru i wody, którą następnie poddali działaniu łuku elektrycznego symulującego błyskawice.

Udało im się udowodnić, że wyładowania elektryczne sprawiają, że w takiej mieszaninie gazów spontanicznie tworzą się aminokwasy - podstawowe cegiełki życia. Był to przełom który dowiódł, że najważniejsze elementy potrzebne do powstawania życia mogą być tworzone przez procesy czysto fizyczne i chemiczne.

Problemem okazało się jednak to, że późniejsze badania wykazały, że atmosfera wczesnej Ziemi prawdopodobnie wyglądała inaczej, niż zakładali uczeni. Co więcej, w dzisiejszej atmosferze “zwyczajne" błyskawice tworzą zbyt mało związków azotu, by wystarczyło ich na potrzeby rodzącego się życia.

Nowe badanie wskazuje jednak, że błyskawice mogły jednak dostarczyć pierwszym żywym istotom dostatecznej ilości budulca. Ale musiałyby to być bardzo specyficzne błyskawice. 

Analiza, której głównym autorem był Slimane Bekki z paryskiej Sorbony wykazała, że wulkaniczne skały zawierają duże ilości związków azotu, które niemal na pewno powstały w wyniku wyładowań wulkanicznych, czyli towarzyszących erupcjom błyskawic.

Badacze przeanalizowali wulkaniczne skały zebrane na całym świecie. Zbadali próbki pobrane z warstw dawno ostygłej magmy z Turcji, Peru czy Włoch. Początkowo zaskoczyło ich to, że w niektórych warstwach skalnych znajdowało się mnóstwo azotanów. Analiza izotopowa cząsteczek wykazała jednak, że nie zostały one wyemitowane przez same wulkany, a pochodziły z atmosfery.

Bekki twierdzi, że ilości azotanów były zbyt duże, by mogły powstać w wyniku uderzenia pioruna podczas normalnej burzy. “To właśnie ich ilość była naprawdę zaskakująca" mówi badacz magazynowi “New Scientist". “Było ich naprawdę mnóstwo".

"Kiedy przeanalizowaliśmy różne możliwości, najprawdopodobniejsza wydała nam się ta, w której źródłem azotanów była to błyskawica wulkaniczna" mówi Bekki. "Wiemy, że podczas potężnej erupcji wulkanu pioruny są naprawdę bardzo intensywne".

Mogłoby to oznaczać, że najwcześniejsze formy życia na naszej planecie mogły wyewoluować właśnie w okolicy wulkanów. A na szczęście tych na wczesnej Ziemi nie brakowało. Badania geologiczne wskazują, że kilka miliardów lat temu nasza planeta była zdecydowanie bardziej aktywna wulkanicznie, niż jest obecnie, a wielkie erupcje mogły być niemal codziennością.

Co ciekawe, wulkany jeszcze co najmniej raz odegrały fundamentalną rolę w kształtowaniu ziemskiego życia. Około 2,4 mld lat temu doszło do pierwszego w historii naszej planety wielkiego wymierania - stężenie tlenu w atmosferze, produkowanego przez pierwsze cyjanobakterie wzrosło tak bardzo, że doprowadziło do wyginięcia najwcześniejszych form życia, dla których tlen był toksyczny. To otworzyło drogę dla roślin, zwierząt i ludzi.

Tyle, że cyjanobakterie produkowały tlen nawet setki milionów lat wcześniej, nie powodując katastrofy. Co sprawiło, że nagle stężenie tego pierwiastka w atmosferze nagle tak podskoczyło?

Opublikowane w 2019 r. badanie wskazuje, że kluczem do zagadki mogły ponownie być wulkany. Tlen produkowany przez pierwsze cyjanobakterie miał się bowiem wiązać z wyrzucanymi przez nie z głębi ziemi skałami, co skutecznie usuwało go z atmosfery. Wraz ze stopniowym wyciszaniem się wulkanów, i rosnącym nasyceniem skał skorupy Ziemi tlenem, coraz większa jego ilość miała trafiać do atmosfery. Aż w końcu przekroczyła próg krytyczny, powyżej którego prymitywniejsze formy życia po prostu nie były już w stanie funkcjonować.

Oznacza to, że ogniste erupcje, dziś kojarzące się przede wszystkim ze zniszczeniem i kataklizmami, były “zapalnikiem", bez którego życie mogło w ogóle się nie pojawić, a które następnie pokierowały ewolucję na tory, które doprowadziły do powstania dobrze znanej nam dziś zielonej planety. Bez wulkanicznego ognia nie byłoby życia.