Ад на Земле?
Хаос, существовавший на ранних этапах в Солнечной системе, был поистине неописуем. Тела разных размеров то и дело сталкивались друг с другом. Не только наша планета испытывала сильные удары. Чтобы понять, насколько сильно небесные тела молотили друг друга, достаточно посмотреть на лунные кратеры. На Земле мы не видим подобного урона, потому что следы от вмятин были сглажены ветрами, дождями и процессами жизнедеятельности в растительном мире.
Анализ камней, доставленных с Луны астронавтами миссии «Аполлон», показал, что наиболее интенсивные удары Земля испытывала во время последней метеоритной бомбардировки. Ученые полагают, что и до, и во время этой бомбардировки Земля была жгучей адской бездной. Слишком высокая температура и отсутствие влаги не предполагали наличия жизни в какой-либо форме. Условия немного улучшились только в тот момент, когда закончилась бомбардировка метеоритами и наступил архейский эон (см. главу 2). И только тогда жизнь на Земле начала постепенно завоевывать себе позиции.
Однако в последние годы гипотеза последней метеоритной бомбардировки начала подвергаться сомнениям с разных сторон. Наиболее радикальные высказывания сводятся к тому, что данные, свидетельствующие о сильной бомбардировке Луны метеоритами, могли быть неверно истолкованы: все зависит от того, как трактовать найденные астронавтами образцы.
Образцы грунта были собраны из разных мест на Луне. Тем не менее исследователи считают, что все эти образцы могут быть следствием одного и того же события – при ударе или ударах метеоритами, в результате чего возник Бассейн Дождей – большое темное пятно на лунной поверхности, которое является частью иллюзорной картинки под названием «Человек на Луне». Все эти фрагменты могут быть следствием одной бомбардировки: камни разлетелись по лунной поверхности и создали впечатление многочисленных соударений, хотя на самом деле таких соударений могло быть гораздо меньше. Если бомбардировка была не слишком интенсивной, на молодой Земле могли существовать не такие уж адские условия.
Свидетельства о том, что в гадейский период на Земле существовали более мягкие условия, чем первоначально считалось, приходят также и из других источников. Возьмем самых крошечных свидетелей – цирконы. Эти прочные кристаллы из силиката циркония, в длину не превышающие миллиметра, относятся к старейшим образованиям на Земле. Они выживут, если их прожарить при температуре 1600 °C, и не раскрошатся, долго пролежав в русле реки с бурным течением. Геологи особенно ценят их за то, что они способны уцелеть в толще осадочных отложений, даже если на них сверху давит не одна тонна, и не подвергнутся никаким метаморфозам или плавлению. Другие вещества на это не способны.
Цирконы можно найти повсюду. Они встречаются почти во всех типах гранитов, которые образуются при переплавлении породы внутри Земли. Потом эти граниты поднимаются на поверхность и охлаждаются. При отвердевании гранита содержащийся в расплавленном материале цирконий захватывает силикаты – соли кремниевых кислот – и кристаллизуется в виде цирконов. Их часто можно найти в осадочных породах, подвергшихся эрозии, в результате чего они освобождаются из исходных гранитов.
В Западной Австралии есть холмы под названием Джек Хиллс. Возраст этих скал около 3,7 миллиарда лет. В этих холмах были найдены цирконы, которые и заставили усомниться в обоснованности первоначального вердикта, вынесенного гадейскому периоду. Возраст этих цирконов, определенный по методу радиоактивного распада урана (см. главу 2), оказался еще больше, чем возраст самих холмов. Для одного циркона, например, получена оценка в 4,4 миллиарда лет. Это значит, что вещества в твердом виде существовали на поверхности Земли уже через 200 миллионов лет после ее рождения.
Более того, ученые нашли внутри цирконов включения посторонних веществ – следы кварца, слюды и полевого шпата. Это означает, что цирконы образовались из расплавленных, преобразованных осадочных отложений, которые могли изначально напоминать жидкую грязь или глину. Проведенный анализ показал, что древние цирконы содержат высокие концентрации изотопа кислород-18. Если сравнивать разные породы, то те из них, что образуются при низкой температуре во влажных условиях, как раз и стремятся поглощать больше кислорода-18.
Этот вывод подтверждается и оценками содержания других элементов в цирконах. Складывается впечатление, что 4,4 миллиарда лет тому назад Земля была вовсе не океаном из магмы, а твердым, прохладным и влажным миром. Моря, озера и океаны должны покоиться на твердой поверхности; скорее всего, земная кора образовалась довольно рано, а если на Земле была жидкая вода, то должна была быть и плотная атмосфера – в противном случае вода испарилась бы с поверхности. Ад на Земле нежданно-негаданно обернулся вполне животворным местом.
Когда возникла жизнь?
Идея о том, что условия на Земле в гадейский период были более холодными и влажными, чем первоначально считалось, перекликается с полученными недавно – хотя и не бесспорными – свидетельствами о существовании первых живых организмов.
Вернемся снова в Западную Австралию. На побережье Пилбара, к северу от холмов Джек Хиллс, обнаружены окаменелости, содержащие надежные данные о том, что первые живые организмы появились на Земле 3,43 миллиарда лет тому назад. В скалистых породах Юго-Западной Гренландии были найдены химические признаки еще более древних форм жизни, которые могли возникнуть 3,8 миллиарда лет назад, – но эти сведения считаются не вполне достоверными.
В 2015 году исследователи Элизабет Белл и Марк Харрисон из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совместно с коллегами объявили о том, что нашли углерод в форме органического соединения внутри циркониевого кристалла. Группа ученых проанализировала более 10 000 цирконов, относящихся к гадейскому и архейскому эонам. В одном из гадейских кристаллов, найденных в холмах Джек Хиллс, они обнаружили крошечные крупинки, или включения, графита. Этот графит мог попасть внутрь циркона при его формировании порядка 4,1 миллиарда лет назад.
Ученые исследовали изотопы углерода в двух таких графитовых включениях и обнаружили, что для них характерны высокие отношения изотопа углерод-12 к изотопу углерод-13. Это является свидетельством их биологического происхождения, потому что живые организмы преимущественно поглощают углерод-12.
Общий химический состав кристаллов циркона подразумевает, что они образовались из охлажденной магмы, которая возникла при плавлении богатых илом осадочных отложений. Именно такая среда благоприятна для сохранности органических остатков.
В 2017 году Мэттью Додд из Университетского колледжа Лондона и его коллеги сообщили о находке еще более древней жизни, обнаруженной ими в окаменелостях, возраст которых близок к гадейскому периоду. Окаменелости были собраны в Зеленокаменном поясе Нуввуагиттук – на восточном побережье Гудзонова залива в северной части провинции Квебек (Канада). Их возраст составляет по крайней мере 3,75 миллиарда лет, хотя некоторые геологи утверждают, что им не менее 4,28 миллиарда. Таким образом, эти находки немногим моложе, чем сама наша планета.
Как и все камни такого рода, они подверглись значительным изменениям за время своего существования. Часть времени они провели глубоко внутри Земли, где под влиянием высоких давлений и температур свыше 50 °C хорошо согревались и сильно деформировались. У геологов есть основания считать, что эти камни образовались на дне первых земных океанов в присутствии древних глубоководных гидротермальных источников.
Додд основывает свое утверждение на анализе пород, богатых железом, которые возникли вокруг относительно «холодных» (с температурой менее 160 °C) подземных источников. Эти породы содержат микроскопические волокна и трубчатые структуры оксида железа – подобные структуры образуются в результате деятельности бактерий, колонии которых обитают и в настоящее время в подложках вблизи глубоководных гидротермальных источников.
Более того, вещество поблизости от этих волокон содержит углерод с высоким отношением углерода-12 к углероду-13, что также говорит об органическом происхождении. Частично этот углерод находится внутри кристаллов, состоящих из богатых фосфором минералов. И это тоже намекает на следы жизнедеятельности первых микроорганизмов: фосфор, освобождаемый при распаде этих существ, может встраиваться в минералы.
Если удастся подтвердить полученные находки, сроки возникновения жизни на Земле можно будет отодвинуть и считать, что жизнь произошла 4,29 миллиарда лет назад. Итак, Земля могла быть заселена на удивление рано, еще до последней метеоритной бомбардировки. Кроме того, это будет означать, что жизнь возникла вокруг глубоководных источников, где очень мало или вообще нет солнечного света, то есть организмы должны были извлекать энергию из геотермальных процессов. Такой вывод помог бы согласовать геологические сведения и результаты генетических и биохимических исследований, которые указывают, что жизнь появилась в глубоких гидротермальных областях, а не в мелководных и залитых солнечным светом местах, где находят много древних ископаемых остатков (см. главу 8).
Однако вопрос о том, когда именно возникла жизнь, еще не закрыт. Ни одно из исследований не является на 100 % убедительным. Группа Харрисона признает, что существуют также и неорганические пути, которые могли привести к повышенному содержанию легкого изотопа углерода в гадейских условиях. И чрезвычайно удивительно, что хрупкие микроскопические структуры, найденные Доддом, выжили в породах, которые подвергались действию высоких температур и давлений глубоко под землей.
Новый взгляд
Стоило нам вообразить, что история юной Земли выплывает из тумана, как появились новые данные, которые дают понять, что не все так просто.
Дональд Лоу из Стэнфордского университета (Калифорния) и его коллеги сорок лет занимались исследованиями древних скалистых образований в восточной части Южной Африки – поясе Барбертон. Двадцать пять лет назад они нашли четыре слоя сферических частиц, которые, по-видимому, сконденсировались из облаков испарившихся камней. Лоу говорит, что это следы четырех крупных ударов метеоритов, которые произошли в промежутке от 3,5 до 3,2 миллиарда лет назад. В 2014 году эта группа исследователей сообщила еще о четырех слоях, относящихся к тому же периоду. По мнению ученых, эти восемь крупных метеоритных ударов, которые имели место в течение 250 миллионов лет, указывают на то, что последняя метеоритная бомбардировка длилась дольше, чем принято думать, и сошла на нет только примерно 3 миллиарда лет тому назад.
Такие сильные удары превосходят все, что испытывала Земля с момента появления многоклеточных животных. От удара астероида, приведшего к гибели динозавров, остался слой сферических частиц (сферул) толщиной в несколько миллиметров. Слои, которые открыл Лоу, имеют толщину от 30 до 40 сантиметров. Это значит, что астероиды, падавшие на Землю, имели поперечники по крайней мере 20 километров; возможно, некоторые из них были еще больше, превышая 70 километров. Если бы сейчас Земля испытала подобные удары, на планете почти не осталось бы ни животных, ни растений; но в то время вся жизнь была сосредоточена в водной стихии, к тому же она была одноклеточной.
Лоу считает, что один из таких мощных ударов мог нагреть атмосферу до сотен градусов Цельсия и испарить верхний слой океана толщиной 100 метров. На противоположной стороне планеты микробы могли благополучно пережить возникшие при этом цунами и дожди из раскаленных камней. Но некоторым группам организмов, таким как фотосинтезирующие бактерии, которым нужно было много света и которые обитали вблизи поверхности океана, пришлось особенно скверно.
Вода, повсюду вода
Если вода существовала на Земле во время гадейского периода, то возникает вопрос: откуда она появилась? Конечно, Солнце в те незапамятные времена было не таким жарким, как сейчас, но даже под его лучами наверняка бы испарился весь лед из первозданного облака, давшего начало Земле. Планетологи были склонны считать, что воду занесло позже небесными посланниками и посланницами – метеоритами и кометами. Однако последние исследования говорят о том, что это не так.
На вопрос о том, откуда на Земле взялась вода, помогает ответить соотношение концентраций двух изотопов водорода: дейтерия, называемого также тяжелым водородом, и нормального водорода. В зависимости от источника воды оно будет отличаться. Сравнивая это соотношение в метеоритах и в старейших водных резервуарах Земли, мы можем определить, действительно ли у этой воды общее происхождение.
В древности океаны почти наверняка потеряли часть более легких изотопов водорода, поэтому исследователи для чистоты эксперимента обратились к воде, извлеченной из древних вулканических базальтовых пород с острова Баффинова Земля в Канадской Арктике. Эти породы содержат крошечные стекловидные включения, которые, по-видимому, образовались 4,5 миллиарда лет назад внутри мантии Земли – в слое, расположенном под земной корой. Их возраст сравним с возрастом самой Земли, а внутри содержатся молекулы водорода, которые обязаны своим происхождением такой же древней воде.
Эти включения содержат на удивление мало дейтерия – почти на 22 % меньше, чем в сегодняшней морской воде. То есть первоначально наша вода была очень бедна дейтерием – скорее всего, ее источником были не метеориты, потому что в метеоритах это соотношение изотопов водорода обычно выше. Из полученных результатов следует, что вода должна была возникнуть в облаке, сгущение которого привело к образованию Солнца и планет.
С этим выводом согласуются и теоретические исследования, согласно которым молекулы воды могли крепко цепляться за слипающиеся частицы пыли даже в условиях жаркого климата формирующейся Земли.
В последние годы ученые также обнаружили, что глубоко в недрах Земли содержится намного больше воды, чем можно было ожидать. Частично эта вода могла подняться наверх, на поверхность. По оценкам, объем внутреннего резервуара может в три раза превышать объем Мирового океана. Внутренний резервуар залегает в голубой породе, называемой рингвудитом. Этот минерал – силикат магния – образуется в мантии при температурах и давлениях, соответствующих глубине 600 километров.
Есть и такие исследования, которые показывают, что этот резервуар – далеко не самый глубокий. В лавовых потоках найдены алмазы с включениями гидроксильных ионов, которые являются верным признаком наличия воды. Они образуются на глубине около 1000 километров, что говорит о возможности циркуляции воды в глубоких слоях мантии.
Беспокойная кора
Сейчас мы знаем, что Земля покрыта несколькими большими жесткими плитами, которые постоянно движутся и трутся друг о друга. Этот процесс зовется тектоникой плит, или платформ (см. главу 4). Земные породы постоянно перемешиваются и преобразуются, без этого у планеты не было бы стабильного климата, а также запасов нефти и минералов, от которых зависит наша жизнь.
Земля – единственная известная нам планета, на которой происходят тектонические процессы такого рода. Почему это так? Моделирование показывает, что для развития тектоники планета должна быть нужного размера: если она слишком мала, то ее литосфера – твердая часть коры и верхняя часть мантии – будет слишком толстой. Если же планета слишком большая, то ее гравитационное поле накрепко прижмет друг к другу любые плиты, удерживая их вместе. Должны выполняться и некоторые другие условия: породы на поверхности планеты не должны быть ни слишком горячими, ни слишком холодными, ни слишком влажными и ни слишком сухими.
Наши знания о том, какова могла быть кора у юной Земли, основаны на процессах, которые мы наблюдаем сегодня. Если говорить об океанической коре, то мы видим, что сейчас она формируется в срединно-океанических хребтах, где расплавленная порода из мантии вытекает наверх и распространяется по поверхности. Образуются породы, богатые твердым черным базальтом, – из таких пород состоят Гавайские острова, которые имеют вулканическое происхождение.
Другое дело – континентальная кора. Она, как правило, состоит из пород типа гранита, которые образуются при погружении базальта вглубь, его плавлении и дальнейшем преобразовании. Во время этих процессов гранит обогащается кремнеземом, алюминием и более легкими металлами. Гранит менее плотный, чем базальт, поэтому он располагается в мантии выше, чем океаническая кора.
Там, где встречаются эти два типа коры – например, на краях океанических бассейнов, – холодное и плотное дно океана вместе с большим количеством воды, грязи и ила погружается под более легкую континентальную кору и затем в мантию; этот процесс называется субдукцией.
Но вернемся к прошлому. Очень важно получить ответ на вопрос, когда и как литосфера треснула так, что часть коры впервые поднырнула и погрузилась под другую ее часть. Из-за неразберихи с гадейским периодом количество необходимых сведений остается весьма скудным. Но все же благодаря опубликованным в 2016 году геохимическим исследованиям цирконов и пород возрастом порядка 4 миллиардов лет, найденных в северо-западной части Канады, можно сказать, что в то время на поверхности Земли не было континентальной коры, а было нечто, больше похожее на базальтовую океаническую кору. Если это подтвердится, то тектоники плит в том виде, в каком мы ее знаем, во времена гадейского периода еще не было.
Бытует мнение, что Земля в течение первых 2 миллиардов лет обладала тонкой базальтовой коркой, погруженной в воду. Кое-где из воды выступали цепочки вулканов, и это была единственная суша на планете. Вулканы изрыгали водяной пар и газы, такие как углекислый газ, сернистый газ и хлористый водород, создавая плотную атмосферу.
Остается неясным, как именно появились первые трещины в этой коре. Шлейф горячего вещества из мантии мог пробить кору и сделать в ней первое отверстие; возможно, спусковым крючком послужил удар астероида или кометы: они могли пробить поверхностный слой и создать цепочку событий, которые привели в движение первые тектонические плиты.
Когда это произошло? Одна из оценок основана на исследованиях офиолитов – редких осколков древней океанической коры, которые не погружаются в мантию, а, наоборот, поднимаются в верхнюю часть континентальной коры в зоне субдукции. В 2007 году было проведено исследование офиолита из Гренландии, возраст которого оценен в 3,8 миллиарда лет. Эта оценка начала тектонической деятельности является самой древней.
Наблюдаем за другими мирами
С помощью наблюдений Ио, спутника Юпитера, мы можем понять, как у Земли появилась ее кора. Некоторые ученые считают, что на заповедной Земле клокотал океан магмы; по-видимому, все планеты прошли через эту фазу развития. Но как бурление магмы сменилось движением тектонических плит?
На Ио нет тектоники плит, но там много действующих вулканов, которые переносят тепло из внутреннего слоя на поверхность. Тепло выходит на поверхность через тепловые трубки – своеобразную систему вулканического теплоснабжения, которая перемещает горячую расплавленную породу, или магму, на поверхность через относительно узкие каналы. Лава, распространяясь по поверхности, охлаждается и образует новый слой коры, на который позже наслаивается вещество от более свежих извержений. Со временем с помощью тепловых трубок создается толстый верхний слой коры. На Ио эта кора очень мощная – она поддерживает горы высотой более 20 километров.
Уильям Мур из Университета Хэмптона в Вирджинии и Александр Уэбб из Университета штата Луизиана (Батон-Руж, США) построили модели тепловых трубок – вроде тех, которые существуют на Ио, – и применили их к процессам, происходящим на молодой Земле, чтобы исследовать состав возникающих при этом пород и поведение коры. Полученные результаты они сравнили с самыми древними породами, известными на Земле, включая алмазы и цирконы возрастом 3 и 4,3 миллиарда лет соответственно.
Ученые пришли к выводу, что пока Земле не исполнилось 3,2 миллиарда лет, она вполне могла успеть избавиться от избыточного тепла через систему тепловых трубок, подобных трубкам на Ио. Земля тогда представляла собой совершенно голый и пустынный мир, и только в некоторых местах на ее поверхность выходили эти трубки. Ученые предполагают, что Земля в конце концов настолько остыла, что тепловые трубки захлопнулись, в горячей мантии возникло напряжение и она оказалась запертой под колпаком у коры. Согласно этой версии событий, под действием напряжений, нарастающих в конвекционных потоках мантии, внешняя оболочка сломалась и начались тектонические процессы плит.
Как менялась наша планета
За последние 4,5 миллиарда лет абсолютно все на нашей планете – от атмосферы до ядра – претерпело очень сильные изменения. Даты могут меняться в зависимости от результатов новых исследований.
4,567 млрд лет назад
Солнечная система образуется из вращающегося газового облака.
4,55 млрд лет назад
Земля формируется как планета на 65 %.
4,53 млрд лет назад
Луна возникает в результате катастрофического столкновения.
4,4 млрд лет назад
Найденные цирконы указывают на то, что на Земле уже имеются твердая поверхность и жидкая вода.
4,29 млрд лет назад
Химические вещества, найденные в цирконах, предполагают наличие жизни.
4,28 млрд лет назад
Возраст самых древних целых пород, найденных на севере Квебека (Канада).
4,1–3,8 млрд лет назад
Земля и Луна подвергаются ударам последней метеоритной бомбардировки.
3,8 млрд лет назад
Офиолит из Гренландии как самое раннее подтверждение тектоники плит.
3,43 млрд лет назад
Первое свидетельство о бактериальной, или архейской, жизни.
3,4 млрд лет назад
По-видимому, уже существуют фотосинтезирующие бактерии.
