Fragen Sie Ethan: Wie schnell hätte das Leben im Universum erscheinen können?

Organische Moleküle finden sich in den Regionen der Sternentstehung, in den Überresten von Sternen und im interstellaren Gas in der gesamten Milchstraße. Im Prinzip könnten die Bestandteile felsiger Planeten und das Leben auf ihnen schnell genug und lange vor dem Erscheinen der Erde in unserem Universum erscheinen

Die Geschichte, wie das Universum zu dem geworden ist, was wir heute sehen, vom Urknall bis zu einem riesigen Raum voller Cluster, Galaxien, Sterne, Planeten und Leben, verbindet uns alle. Aus der Sicht der Bewohner des Planeten Erde sind 2/3 der Weltraumgeschichte vor dem Erscheinen von Sonne und Erde vergangen. Das Leben erschien jedoch auf unserer Welt, solange wir in der Lage sind, mithilfe von Messungen in die Vergangenheit zu blicken - vielleicht sogar vor 4,4 Milliarden Jahren. Das lässt uns fragen: Ist das Leben nicht im Universum vor unserem Planeten erschienen und wie lange könnte es im Prinzip erscheinen? Unser Leser möchte dies wissen:

Wie bald nach dem Urknall konnten sich genug schwere Elemente ansammeln, um Planeten und möglicherweise Leben zu bilden?

Und selbst wenn wir uns auf die Art des Lebens beschränken, die wir als „ähnlich wie unsere“ betrachten, wird uns die Antwort auf diese Frage weiter in die Vergangenheit schicken, als Sie sich vorstellen können.


Die im Zirkon gefundenen Graphitablagerungen sind der älteste Beweis für das Leben auf Kohlenstoffbasis auf der Erde. Diese Ablagerungen und die Menge an Kohlenstoff-12 in ihnen datieren das Auftreten von Leben auf der Erde vor mehr als 4 Milliarden Jahren.

Natürlich können wir nicht bis zum Anfang des Universums gehen. Nach dem Urknall gab es nicht nur Sterne oder Galaxien, nicht einmal Atome. Alles braucht Zeit für das Erscheinen, und das Universum, das nach der Geburt ein Meer aus Materie, Antimaterie und Strahlung enthielt, begann mit einem ziemlich einheitlichen Zustand zu existieren. Die dichtesten Regionen waren ein Bruchteil eines Prozent - vielleicht nur 0,003% - dichter als der Durchschnitt. Dies bedeutet, dass die Arbeit des Gravitationskollapses sehr lange dauern wird, um beispielsweise einen Planeten zu schaffen, der 10 bis 30 Mal dichter ist als die durchschnittliche Dichte des Universums. Und doch hatte das Universum so viel Zeit wie nötig, um all dies zu erscheinen.


Die Standardzeitleiste für die Geschichte des Universums. Obwohl die Erde nur 9,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall erschien, fanden viele Schritte, die notwendig waren, um eine Welt wie unsere zu schaffen, sehr früh statt

Nach der ersten Sekunde vernichtete sich die Antimaterie mit dem größten Teil der Materie, und nur wenige Protonen, Neutronen und Elektronen blieben im Meer der Neutrinos und Photonen. Nach 3-4 Minuten bildeten Protonen und Neutronen neutrale Atomkerne, aber fast alle waren Isotope von Wasserstoff und Helium. Und nur wenn das Universum auf eine bestimmte Temperatur abkühlte, die 380.000 Jahre dauerte, konnten sich die Elektronen zum ersten Mal mit diesen Kernen verbinden und neutrale Atome bilden. Und selbst mit diesen Grundzutaten war das Leben - und sogar felsige Planeten - bisher unmöglich. Wasserstoff- und Heliumatome allein sind unverzichtbar.


Mit der Abkühlung des Universums erscheinen Atomkerne und danach weitere kühlungsneutrale Atome. Fast alle dieser Atome sind jedoch Wasserstoff und Helium, und erst nach vielen Millionen Jahren beginnen sich Sterne zu bilden, in denen schwere Elemente auftreten, die für das Erscheinen von felsigen Planeten und Leben notwendig sind

Aber der Gravitationskollaps ist eine Realität, und wenn er genug Zeit hat, wird er das Erscheinungsbild des Universums verändern. Obwohl es zunächst sehr lange dauert, geht es unermüdlich weiter und gewinnt an Dynamik. Je dichter die Region des Kosmos wird, desto besser gelingt es ihm, immer mehr Materie anzuziehen. Standorte, die mit der höchsten Dichte beginnen, wachsen schneller als andere, und unsere Simulationen zeigen, dass sich die ersten Sterne etwa 50 bis 100 Jahre nach dem Urknall gebildet haben sollten. Diese Sterne sollten ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen und könnten zu ziemlich großen Massen heranwachsen: Hunderten oder sogar Tausenden von Sonnen. Und wenn sich ein so massereicher Stern bildet, wird er in ein oder zwei Millionen Jahren sterben.


Aber zum Zeitpunkt des Todes solcher Sterne passiert etwas Erstaunliches - und das alles dank ihres Lebens. Alle Sterne synthetisieren Helium aus Wasserstoff im Kern, aber die massereichsten synthetisieren nicht nur Kohlenstoff aus Helium - sie wechseln zur Synthese von Sauerstoff aus Kohlenstoff, Neon / Magnesium / Silizium / Schwefel aus Sauerstoff, und dort geht es im Periodensystem der Elemente immer weiter vorwärts bis sie Eisen, Nickel und Kobalt erreichen. Danach gibt es keinen Ort mehr, an dem der Kern zusammenbricht und eine Supernova-Explosion auslöst. Diese Explosionen werfen riesige Mengen schwerer Elemente in das Universum, wodurch neue Generationen von Sternen entstehen und der interstellare Raum bereichert wird. Plötzlich füllen schwere Elemente, einschließlich der Bestandteile, die für das Auftreten von felsigen Planeten und organischen Molekülen erforderlich sind, diese Protogalaxien.


Atome binden an Moleküle, einschließlich organischer Moleküle und biologischer Prozesse, sowohl auf Planeten als auch im interstellaren Raum. Sobald die notwendigen schweren Elemente im Universum verfügbar sind, ist die Bildung dieser "Samen des Lebens" unvermeidlich

Je mehr Sterne leben, ausbrennen und sterben, desto bereicherter wird die nächste Generation von Sternen sein. Viele Supernovae erzeugen Neutronensterne, und in den Fusionen von Neutronensternen erscheint die größte Anzahl der schwersten Elemente des Periodensystems. Eine Zunahme des Anteils schwerer Elemente bedeutet eine Zunahme der Anzahl felsiger Planeten mit einer höheren Dichte, der Anzahl der Elemente, die für das uns bekannte Leben notwendig sind, und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens komplexer organischer Moleküle. Wir brauchen kein durchschnittliches Sternensystem des Universums, um dem Sonnensystem zu ähneln. Wir brauchen nur mehrere Generationen von Sternen, um in der dichtesten Region des Weltraums zu leben und zu sterben, um die Bedingungen zu reproduzieren, die für das Auftreten von felsigen Planeten und organischen Molekülen geeignet sind.


Im Zentrum der Überreste der Supernova RCW 103 befindet sich ein langsam rotierender Neutronenstern, früher ein massereicher Stern, der das Ende seines Lebens erreicht. Und obwohl Supernovae in der Lage sind, im Kern synthetisierte schwere Elemente zurück ins Universum zu senden, sind es nachfolgende Fusionen von Neutronensternen, die die meisten der schwersten Elemente erzeugen.

Als das Universum nur eine Milliarde Jahre alt war, enthielten die entferntesten Objekte, die Fülle schwerer Elemente, an denen gemessen werden kann, viel Kohlenstoff : so viel wie in unserem Sonnensystem. Eine ausreichende Anzahl anderer schwerer Elemente wird noch schneller eingegeben. Kohlenstoff benötigt möglicherweise mehr Zeit, um eine hohe Konzentration zu erreichen, da er hauptsächlich in Sternen auftritt, die sich nicht in Supernovae verwandeln, und nicht in solchen ultramassiven Sternen, die explodieren. Felsplaneten brauchen keinen Kohlenstoff; andere schwere Elemente werden herunterkommen. (Und viele Supernovae erzeugen Phosphor ; man muss den jüngsten Berichten nicht glauben, die sein Defizit falsch übertreiben). Es ist wahrscheinlich, dass sich bereits wenige hundert Millionen Jahre nach der Entzündung der ersten Sterne - als das Universum 300 bis 500 Millionen Jahre alt war - felsige Planeten um die am meisten angereicherten Sterne bildeten.


Protoplanetare Scheibe um einen jungen Stern, HL Taurus ; Foto ALMA . Lücken in der Scheibe zeigen das Vorhandensein neuer Planeten an. Sobald die Scheibe genügend schwere Elemente enthält, können felsige Planeten darin erscheinen.

Wenn Kohlenstoff für das Leben nicht notwendig wäre, könnten gleichzeitig in bestimmten Regionen des Weltraums Lebensprozesse beginnen. Aber für ein Leben ähnlich unserem wird Kohlenstoff benötigt, was bedeutet, dass Sie für eine gute Wahrscheinlichkeit des Auftretens des Lebens etwas länger warten müssen. Obwohl Kohlenstoffatome auftauchen werden, wird es 1-1,5 Milliarden Jahre dauern, bis sich eine ausreichende Menge davon angesammelt hat: bis das Universum 10% seines gegenwärtigen Alters erreicht und nicht nur 3-4%, die nur für das Auftreten von Fels erforderlich sind Planeten. Es ist interessant zu glauben, dass das Universum die Planeten und alle notwendigen Bestandteile in der richtigen Menge für das Erscheinen des Lebens gebildet hat, mit Ausnahme von Kohlenstoff, und dass Sie warten müssen, bis die massereichsten sonnenähnlichen Sterne leben und sterben, um eine ausreichende Menge des wichtigsten Inhaltsstoffs im Leben zu erzeugen.


Supernova-Überreste (links) und planetarischer Nebel (rechts) - beide Methoden ermöglichen es Sternen, verbrannte schwere Elemente in den interstellaren Raum zurückzubringen und sie für das Erscheinen von Sternen und Planeten der nächsten Generation zu verwenden. Sonnenähnliche Sterne, nach deren Tod ein planetarischer Nebel verbleibt, sind die Hauptkohlenstoffquelle im Universum. Die Herstellung dauert länger, da die Sterne, nach deren Tod ein planetarischer Nebel erscheint, länger leben als diejenigen, die in Form von Supernovae sterben.

Es ist eine interessante Übung, die fortschrittlichsten Lebensformen der Erde, die in verschiedenen Epochen auftraten, in die Vergangenheit zu extrapolieren. Es stellt sich heraus, dass die Erhöhung der Komplexität von Genomen einem bestimmten Trend folgt. Wenn wir zu getrennten gepaarten Basen zurückkehren , erhalten wir einen Zeitraum, der 9-10 Milliarden Jahren ähnlicher ist als vor 12-13 Milliarden Jahren. Ist dies ein Hinweis darauf, dass das auf der Erde existierende Leben viel früher erschien als die Erde selbst? Und ist dies ein Hinweis darauf, dass das Leben vor Milliarden von Jahren hätte beginnen können, und in unserem Gebiet dauerte es mehrere Milliarden Jahre, bis es begann?


In diesem Semi-Log-Diagramm nimmt die Komplexität von Organismen, gemessen an der Länge der funktionellen nicht redundanten DNA im Verhältnis zum Genom, gezählt von den gepaarten Basen der Nukleotide, linear mit der Zeit zu. Die Zeit wird ab dem aktuellen Moment in Milliarden von Jahren zurückgezählt.

Im Moment wissen wir das nicht. Aber wir wissen nicht, wo die Grenze zwischen Leben und Nichtleben verläuft. Wir wissen auch nicht, ob das irdische Leben hier, auf einem zuvor gebildeten Planeten oder irgendwo in den Tiefen des interstellaren Raums ohne Planeten begann .


Viele Aminosäuren, die in der Natur nicht vorkommen, sind im Murchison-Meteoriten zu finden , der 1969 in Australien auf die Erde fiel. Die Tatsache, dass ein einfacher kosmischer Stein mehr als 80 einzigartige Arten von Aminosäuren enthält, legt nahe, dass die Zutaten für das Leben oder sogar das Leben selbst überhaupt nicht auf dem Planeten erschienen sind.

Es ist sehr interessant, dass die rohen, elementaren Zutaten, die für das Leben notwendig sind, kurz nach der Bildung der ersten Sterne erschienen und die wichtigste Zutat - Kohlenstoff, das vierthäufigste Element im Universum - die neueste Zutat ist, um die Menge zu erreichen, die wir benötigen. Felsige Planeten tauchten an einigen Orten viel früher auf, als das Leben hätte erscheinen können: nur eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall oder sogar früher. Aber sobald wir genug Kohlenstoff haben, 1 - 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall, werden alle Schritte, die für das Auftreten organischer Moleküle und den Beginn der Bewegung in Richtung Leben notwendig sind, unvermeidlich. Unabhängig von den Lebensprozessen, die zur Entstehung der Menschheit geführt haben, konnten sie, soweit wir sie verstehen, ihre Reise beginnen, als das Universum zehnmal kleiner war als jetzt.