Pregúntele a Ethan: ¿Qué tan rápido podría haber aparecido la vida en el universo?

Las moléculas orgánicas se encuentran en las regiones de formación estelar, en los restos de estrellas y en el gas interestelar, a lo largo de la Vía Láctea. En principio, los ingredientes de los planetas rocosos y la vida en ellos podrían aparecer en nuestro Universo lo suficientemente rápido y mucho antes de la aparición de la Tierra.

La historia de cómo el Universo se ha convertido en lo que vemos hoy, desde el Big Bang hasta un enorme espacio lleno de cúmulos, galaxias, estrellas, planetas y vida, nos une a todos. Desde el punto de vista de los habitantes del planeta Tierra, 2/3 de la historia espacial han pasado antes de la aparición del Sol y la Tierra. Sin embargo, la vida apareció en nuestro mundo siempre que podamos mirar hacia el pasado utilizando mediciones, tal vez incluso hace 4.400 millones de años. Esto nos hace preguntarnos: ¿no apareció la vida en el Universo antes de nuestro planeta y, en principio, cuánto tiempo podría aparecer? Nuestro lector quiere saber esto:

¿Qué tan pronto después del Big Bang podrían acumularse suficientes elementos pesados ​​para formar planetas y posiblemente vida?

E incluso si nos limitamos al tipo de vida que consideramos "similar a la nuestra", la respuesta a esta pregunta nos enviará más al pasado de lo que podría imaginar.


Los depósitos de grafito encontrados en el circón son la evidencia más antigua de vida basada en el carbono en la Tierra. Estos depósitos y la cantidad de carbono 12 en ellos datan de la aparición de la vida en la Tierra hace más de 4 mil millones de años.

Por supuesto, no podemos ir al comienzo del universo. Después del Big Bang, no solo había estrellas o galaxias, ni siquiera átomos. Todo necesita tiempo para aparecer, y el Universo, que contenía después del nacimiento un mar de materia, antimateria y radiación, comenzó a existir con un estado bastante uniforme. Las regiones más densas tenían una fracción de porcentaje, quizás solo 0.003%, más densa que el promedio. Esto significa que el trabajo del colapso gravitacional tardará mucho tiempo en crear, por ejemplo, un planeta que sea 10-30 veces más denso que la densidad promedio del Universo. Y, sin embargo, el Universo tenía tanto tiempo como era necesario para la aparición de todo esto.


La línea de tiempo estándar para la historia del universo. Aunque la Tierra apareció solo 9,2 mil millones de años después del Big Bang, muchos pasos necesarios para crear un mundo como el nuestro tuvieron lugar muy temprano

Después del primer segundo, la antimateria se aniquiló con la mayor parte de la materia y quedaron pocos protones, neutrones y electrones en el mar de neutrinos y fotones. Después de 3-4 minutos, los protones y los neutrones formaron núcleos atómicos neutros, pero casi todos eran isótopos de hidrógeno y helio. Y solo cuando el Universo se enfrió a una cierta temperatura, que tardó 380,000 años, los electrones se unieron a estos núcleos y formaron átomos neutros por primera vez. E incluso con estos ingredientes fundamentales, la vida, e incluso los planetas rocosos, hasta ahora han sido imposibles. Los átomos de hidrógeno y helio solos son indispensables.


Con el enfriamiento del Universo, aparecen núcleos atómicos, y después de ellos, con enfriamiento adicional: átomos neutros. Sin embargo, casi todos estos átomos son hidrógeno y helio, y solo después de muchos millones de años atrás comienzan a formarse estrellas en las que aparecen elementos pesados, necesarios para la aparición de planetas rocosos y vida.

Pero el colapso gravitacional es una realidad, y al tener suficiente tiempo, cambiará la apariencia del universo. Aunque al principio lleva mucho tiempo, continúa incansablemente y está ganando impulso. Cuanto más densa se vuelve la región del cosmos, mejor logra atraer más y más materia. Los sitios que comienzan en la densidad más alta crecen más rápido que otros, y nuestras simulaciones muestran que las primeras estrellas deberían haberse formado unos 50-100 años después del Big Bang. Se suponía que estas estrellas consistían exclusivamente en hidrógeno y helio, y podían crecer hasta masas bastante grandes: cientos o incluso miles de rayos solares. Y cuando se forma una estrella tan masiva, morirá en uno o dos millones de años.


Pero en el momento de la muerte de tales estrellas, sucede algo sorprendente, y todo gracias a sus vidas. Todas las estrellas sintetizan helio a partir de hidrógeno en el núcleo, pero las más masivas no solo sintetizan carbono a partir de helio: cambian a la síntesis de oxígeno a partir de carbono, neón / magnesio / silicio / azufre a partir de oxígeno, y allí va más y más lejos, avanzando a lo largo de la tabla periódica de elementos. hasta que alcancen hierro, níquel y cobalto. Después de eso, no hay a dónde ir, y el núcleo se derrumba, lanzando una explosión de supernova. Estas explosiones arrojan enormes cantidades de elementos pesados ​​al Universo, dando lugar a nuevas generaciones de estrellas y enriqueciendo el espacio interestelar. De repente, elementos pesados, incluidos los ingredientes necesarios para la aparición de planetas rocosos y moléculas orgánicas, llenan estas protogalaxias.


Los átomos se unen para formar moléculas, incluidas moléculas orgánicas y procesos biológicos, tanto en planetas como en el espacio interestelar. Tan pronto como los elementos pesados ​​necesarios estén disponibles en el Universo, la formación de estas "semillas de vida" es inevitable

Cuantas más estrellas vivan, se quemen y mueran, más enriquecida será la próxima generación de estrellas. Muchas supernovas crean estrellas de neutrones, y en las fusiones de estrellas de neutrones aparece el mayor número de los elementos más pesados ​​de la tabla periódica. Un aumento en la proporción de elementos pesados ​​significa un aumento en la cantidad de planetas rocosos con una densidad más alta, la cantidad de elementos necesarios para la vida que conocemos y la probabilidad de la aparición de moléculas orgánicas complejas. No necesitamos el sistema estelar promedio del Universo para parecerse al sistema Solar; solo necesitamos que varias generaciones de estrellas vivan y mueran en la región más densa del espacio para reproducir las condiciones adecuadas para la aparición de planetas rocosos y moléculas orgánicas.


En el centro de los restos de la supernova RCW 103 hay una estrella de neutrones que gira lentamente, antes una estrella masiva, llegando al final de su vida. Y aunque las supernovas son capaces de enviar elementos pesados ​​sintetizados en el núcleo de regreso al Universo, son las fusiones posteriores de estrellas de neutrones las que crean la mayoría de los elementos más pesados.

En el momento en que el universo tenía solo mil millones de años, los objetos más distantes, la abundancia de elementos pesados ​​en los que se puede medir, contienen mucho carbono : tanto como lo es en nuestro sistema solar. Una cantidad suficiente de otros elementos pesados ​​se escriben aún más rápido; El carbono puede necesitar más tiempo para alcanzar una alta concentración porque aparece principalmente en estrellas que no se convierten en supernovas, y no en esas estrellas ultramasivas que explotan. Los planetas rocosos no necesitan carbono; otros elementos pesados ​​bajarán. (Y muchas supernovas crean fósforo ; no es necesario creer en informes recientes que exageran incorrectamente su déficit). Es probable que solo unos pocos cientos de millones de años después del encendido de las primeras estrellas, cuando el universo tenía entre 300 y 500 millones de años, ya se formaban planetas rocosos alrededor de las estrellas más enriquecidas.


Disco protoplanetario alrededor de una joven estrella, HL Taurus ; Foto ALMA . Las brechas en el disco indican la presencia de nuevos planetas. Una vez que el disco tiene suficientes elementos pesados, pueden aparecer planetas rocosos.

Si el carbono no fuera necesario para la vida, al mismo tiempo en ciertas regiones del espacio podrían comenzar los procesos de la vida. Pero para una vida similar a la nuestra, se necesita carbono, lo que significa que para una buena probabilidad de la aparición de la vida, hay que esperar un poco más. Aunque los átomos de carbono se encontrarán, tomará de 1 a 1.500 millones de años acumular una cantidad suficiente: hasta que el Universo alcance el 10% de su edad actual, y no solo el 3-4%, que se requieren solo para la aparición de rocas planetas Es interesante pensar que el Universo formó los planetas y todos los ingredientes necesarios en la cantidad correcta para la apariencia de la vida, excepto el carbono, y que para crear una cantidad suficiente del ingrediente más importante en la vida, debes esperar hasta que las estrellas masivas como el Sol vivan y mueran.


Restos de supernova (izquierda) y nebulosa planetaria (derecha): ambos métodos permiten que las estrellas devuelvan elementos pesados ​​quemados al espacio interestelar y los utilizan para la aparición de estrellas y planetas de la próxima generación. Las estrellas similares al sol, después de la muerte de las cuales sigue siendo una nebulosa planetaria, son la principal fuente de carbono en el Universo. Se tarda más en producirlo, porque las estrellas, después de la muerte de la cual aparece una nebulosa planetaria, viven más que las que mueren en forma de supernovas.

Extrapolar al pasado las formas de vida más avanzadas en la Tierra que aparecieron en diferentes épocas es un ejercicio interesante. Resulta que aumentar la complejidad de los genomas sigue una cierta tendencia. Si volvemos a bases separadas, obtenemos un período que es más similar a 9-10 mil millones de años que hace 12-13 mil millones de años. ¿Es esto una indicación de que la vida existente en la Tierra apareció mucho antes que la Tierra misma? ¿Y esto es una indicación de que la vida podría haber comenzado hace miles de millones de años, y en nuestro espacio, tomó varios miles de millones de años adicionales para comenzar?


En este gráfico semi-logarítmico, la complejidad de los organismos, medida por la longitud del ADN funcional no redundante en relación con el genoma, contada a partir de las bases emparejadas de los nucleótidos, aumenta linealmente con el tiempo. El tiempo se cuenta en miles de millones de años desde el momento actual.

Por el momento, no sabemos esto. Pero no sabemos dónde pasa la línea entre la vida y no la vida. Tampoco sabemos si la vida terrenal comenzó aquí, en un planeta previamente formado, o en algún lugar en las profundidades del espacio interestelar, sin ningún planeta.


Muchos aminoácidos que no se encuentran en la naturaleza se encuentran en el meteorito Murchison , que cayó a la Tierra en Australia en 1969. El hecho de que haya más de 80 tipos únicos de aminoácidos en una piedra cósmica simple sugiere que los ingredientes para la vida, o incluso la vida misma, no aparecieron en el planeta.

Es muy interesante que los ingredientes crudos y elementales necesarios para la vida aparecieron poco después de la formación de las primeras estrellas, y el ingrediente más importante, el carbono, el cuarto elemento más abundante en el Universo, es el último ingrediente en alcanzar la cantidad que necesitamos. Los planetas rocosos en algunos lugares aparecieron mucho antes de lo que podría haber aparecido la vida: solo medio billón de años después del Big Bang, o incluso antes. Pero tan pronto como tengamos suficiente carbono, 1 - 1.5 mil millones de años después del Big Bang, todos los pasos necesarios para la aparición de moléculas orgánicas y el comienzo del movimiento hacia la vida se vuelven inevitables. No importa qué procesos de la vida condujeron al surgimiento de la humanidad, hasta donde los entendemos, podrían comenzar su viaje cuando el Universo era diez veces más pequeño que ahora.