Kunde naturliga kärnreaktorer ha förbättrat livet på detta och andra planeter?

Medan moderna människor använder den mest avancerade tekniken för att bygga kärnreaktorer, gör naturen dem ibland av misstag.

Bevis för ett kluster av naturliga kärnreaktorer har hittats på jorden, och vissa forskare säger att vår planet kanske har haft många fler i sitt gamla förflutna. Det finns också anledning att tro att andra planeter kan ha haft sina egna naturligt förekommande kärnreaktorer, även om bevis för att bekräfta att detta är disigt. Om de existerade skulle de stora mängder strålning och energi som släpptes av sådana reaktorer ha haft komplicerade effekter på något liv som utvecklas i denna eller andra världar, säger experter.

Naturliga kärnreaktorer uppstår när avlagringar av det radioaktiva elementet uran byggs upp på en plats och slutligen tänder en självuppehållande kärnreaktion där uran delar upp i en process som kallas fission, som producerar andra element. Reaktionen släpper ut ett kraftfullt slag av energi.

Denna energi kan visa sig vara fördelaktig och mycket skadlig för att utveckla livet, beroende på omständigheterna. [7 teorier om livets ursprung]

Endast exempel

De enda kända exemplen på naturliga kärnreaktorer på jorden upptäcktes i Oklo-regionen Gabon, Afrika, 1972. Franska gruvarbetare upptäckte att uranproverna de extraherades var uttömda i det sällsynta isotopenuran 235, det enda naturligt förekommande materialet på jorden som kunde av upprätthållande av fissionsreaktioner. Det var som om materialet redan hade gått igenom en kärnreaktion och använts.

Det är faktiskt det scenario som mest stöds av studier. Forskare tror att en koncentration av uran 235 var kritisk för omkring 2 miljarder år sedan och genomgick fission, precis som det gör inom konstgjorda kärnreaktorer.

"Såvitt vi vet har vi bara bevis på att naturliga reaktorer bildar och fungerar på den enda platsen i Gabon, men det visar att det är möjligt, och våra beräkningar tyder på att det var mycket mer troligt tidigare i jordens historia", säger Jay Cullen of University of Victoria i Kanada.

Cullen och Laurence A. Coogan, en kollega vid University of Victoria, undersökte hur troliga dessa reaktioner var när jorden var mycket yngre baserat på hur mycket uran i ett visst område är nödvändigt för att materialet ska gå kritiskt och starta en självbärande klyvningsreaktion. De fann att naturkärnreaktorer under den arkeanska epoken, mellan omkring 2,5 miljarder och 4 miljarder år sedan, kunde ha varit relativt frekventa.

"Det verkar säkert mer än troligt att dessa typer av reaktorer skulle ha varit mycket vanligare i jordens tidiga historia, eftersom den mängd [av uran] du behöver är faktiskt ganska liten", berättade Cullen Astrobiology Magazine.

Men eftersom det finns en så dålig geologisk rekord kvar från så länge sedan, har forskare väldigt lite sätt att bekräfta denna idé.

Livets gnista

Om naturliga kärnreaktorer var närvarande på tidig jord, kunde de ha haft intressanta effekter på något växande liv.

Den joniserande strålningen som frigörs av en kärnreaktion kan skada DNA, den värdefulla instruktionskoden som är inbyggd i alla livets celler. Om organismer levde för nära reaktorns plats kunde de ha blivit utplånade helt. Livet som hänger i utkanten av en kärnreaktor kan dock ha fått en mindre dos av strålning - inte tillräckligt för att döda den, men tillräckligt för att introducera mutationer i sin genetiska kod som kan ha ökat mångfalden i lokalbefolkningen.

"Den joniserande strålningen skulle faktiskt ge någon genetisk variation," sa Cullen. "Det är den mängd som det naturliga urvalet kommer att agera på, och det kan bidra till att främja förändringar i organismer med tiden. Jag tror att de flesta ser joniserande strålning som en dålig sak, men det är inte alltid nödvändigtvis så. "

Vidare kunde kärnreaktorerna själva ha gett en ännu större välsignelse till livet genom att ge den gnistan som den behövde härstamma i första hand, tror vissa forskare. Zachary Adam, nu en doktorand vid Montana State University i Bozeman, föreslog möjligheten i ett 2007-papper i journalen Astrobiology, som han skrev som doktorand vid University of Washington.

Vetenskapsmän vet inte säkert hur livet började på jorden, men de tror att det krävde någon form av energisprängning för att starta det. Denna energi skulle ha varit tvungen att bryta bindningarna av enkla element som kol, kväve, väte och syre, så att de kunde rekombineras för att bilda de första komplexa organiska molekylerna.

Andra forskare har föreslagit att en strejk av blixtnedslag kunde ha gett den nödvändiga energin, men Adam anser att den energi som släpptes av en naturlig kärnreaktor kunde ha gett katalysatorn.

"Jag tror att det är minst som möjligt som andra idéer, om inte mer trovärdiga, men jag inser att alla är partiella till sina egna idéer", sa Adam.

Livet någon annanstans?

Om naturliga kärnreaktorer kan ha hjälpt livet upp på denna planet, är det också möjligt att de har spelat en roll när det gäller att sådda livet någon annanstans.

Hittills innebär forskarnas begränsade kunskaper om geologi av extrasolära planeter att de inte kan säga hur vanliga naturliga kärnreaktorer kan vara på andra världar. Adam sa att vissa element på tidig jord som kan ha hjälpt dessa reaktorer bildar sig inte som lika rik på andra planets ytor.

Månens tidvattenstyrkor på jorden, som brukade vara starkare än idag, beror på månens närhet för länge sedan, spelade en viktig roll i att tunga mineraler som uran 235 samlas i täta fläckar på stränder, sa Adam. Jorden hade också differentierats i separata lager, inklusive en skorpa och en mantel, vilket hjälpte till att skilja ut och koncentrera de tunga radioaktiva elementen.

Dessa egenskaper, särskilt korsdifferentiering som på jorden, verkar inte vara lika vanliga bland solsystemets andra planeter, sa Adam.

Men inte alla experter är pessimistiska om naturliga kärnreaktorer på andra världar.

Plasmafysiker John Brandenburg of Orbital Technologies Corp analyserade resultat från NASAs Mars Odyssey Orbiter, som undersökte ytan av den röda planeten med olika instrument, inklusive en gammastrålespektrometer. Brandenburg säger att gammastrålningsresultaten visar att det finns ett överflöd av radioaktivt uran, torium och kalium, speciellt i en viss plats på Mars, vilket han tillskriver en stor kärnreaktion som äger rum där omkring en halv miljard år sedan.

"I grund och botten såg det ut som om Mars var täckt med ett tjockt lager av radioaktiva ämnen, och också atmosfären var full av radiogena produkter", sade Brandenburg. "Det är typ av en no-brainer på den tiden. Det verkar ha varit en stor radiologisk händelse på Mars och det verkar ha varit våldsam."

Om en så stor kärnvapenhändelse inträffade skulle det ha varit katastrofalt för alla blivande martianska liv.

"Det skulle ha varit en hemsk katastrof", sade Brandenburg. "Vad som helst biosfären var på Mars vid den tiden fick nog en massiv utrotning händelse, och det verkligen sätta tillbaka livet på Mars."

Men många Mars geologer har hälsat Brandenburgs förslag med skepsis.

"Den här hypotesen är inte sannolikt sannolikt," skrev University of Arizonas William Boynton, huvudforskare för Mars Odyssey's gammastrålespektrometer, i ett email. "Ja, vi hittade både thorium och uran, och de är naturliga element som finns överallt. Mängden varierar, men förklaringarna är mycket vardagliga."

Boynton sa att han tvivlar på att naturliga kärnreaktorer som de i Gabon är vanliga någon annanstans.

"Den naturliga reaktorn i Afrika är verklig, men anledningen till att det var så mycket intresse är att det är så sällsynt," sade Boynton. "Jag skulle säga att det bara är omöjligt att någon naturlig reaktor har hänt någon annanstans i solsystemet. Det kan hända att det bara har hänt en gång på jorden!"