Текст книги "Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом"

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.

2,8 млрд лет назад

Фотосинтезирующие бактерии начинают выделять кислород.

2,4 млрд лет назад

Происходит кислородная катастрофа – большинство живых организмов вымирает.

2,3 млрд лет назад

Первое оледенение на Земле (Земля-«снежок»).

2 млрд лет назад

Появляются эукариотические клетки.

1,82 млрд лет назад

По-видимому, формируется первый суперконтинент.

1,5–1 млрд лет назад

Начинает отвердевать земная кора.

1,2 млрд лет назад

Развиваются красные и бурые водоросли.

1130–750 млн лет назад

На Земле существует гипотетический суперконтинент Родиния.

900 млн лет назад

Появляются первые многоклеточные животные.

750 млн лет назад

Появляются зеленые водоросли.

717 млн лет назад

Происходит стуртианское оледенение – самое мощное на Земле.

650 млн лет назад

Происходит оледенение Марино.

600–542 млн лет назад

Появляются загадочные эдиакарские организмы.

541 млн лет назад

Кембрийский взрыв: начало глубокой диверсификации животного мира.

500 млн лет назад

Развиваются первые наземные растения.

445 млн лет назад

Позднее ордовикское массовое вымирание.

375–360 млн лет назад

Позднее девонское массовое вымирание.

336–173 млн лет назад

Появляется гипотетический суперконтинент Пангея.

252 млн лет назад

Массовое вымирание в конце пермского периода – величайшее в истории планеты.

201 млн лет назад

Массовое вымирание в конце триасового периода.

66 млн лет назад

Падение Чиксулубского астероида на полуостров Юкатан в Мексике с разрушительными последствиями.

65 млн лет назад

Мел-палеогеновое массовое вымирание, гибель динозавров.

55 млн лет назад

Палеоцен-эоценовый термический максимум, тепловая волна в Арктике.

5,33 млн лет назад

Атлантический океан наводняет Средиземноморский бассейн.

320 000–100 000 лет назад

Появляются люди современной анатомии.

Глава 2. Долгая поступь времени

Ранняя пора существования Земли была отмечена удивительными, хотя и неспешно происходившими событиями, которые совершались на протяжении сотен миллионов лет. С трудом можно представить себе тот медленный темп, в котором разворачивалось большинство геологических процессов на Земле. Здесь мы совершим прыжок в бездну времен, попробуем измерить их протяженность и выделить несколько поворотных пунктов в истории Земли, по которым прошла наша планета на своем долгом пути развития.

Вглубь времен

В июне 1788 года шотландский геолог Джеймс Хаттон поехал в местечко Сиккар-Пойнт на побережье Бервикшира. С собой он пригласил своих коллег Джона Плейфейра и Джеймса Холла. Для непосвященных скалистый мыс был ничем не примечателен – казалось, он стоял здесь вечно в неизменном виде. Но у Хаттона был иной взгляд на эти камни: он пришел к выводу, что слои, видимые в скальном грунте, образовались под морским дном из остатков более древних пород, а затем поднялись наверх.

Скалы поведали Хаттону о последовательности событий, которые он истолковал как невероятно медленные геологические изменения, происходящие в течение умопомрачительно больших отрезков времени. Угловое расхождение в напластовании слоев породы различных типов и ориентаций могло сформироваться только в течение десятков миллионов лет (см. рис. 2.1). Эти наблюдения имели решающее значение для Хаттона, который выдвинул теорию постепенной эволюции Земли и разработал революционную концепцию о «глубоком времени» – неизмеримых по своей протяженности геологических эпохах.

Рис. 2.1. Пласты скальных пород способны рассказать о своем возрасте и поведать историю о том, как они произошли и что с ними случилось после.

По мнению Хаттона, возраст Земли исчислялся несколькими миллионами лет. Это был совершенно новый подход к летоисчислению, потому что чуть более века назад примас всей Ирландии, архиепископ Джеймс Ашшер, определил из Библии и других источников совершенно точную дату творения мира – воскресенье, 23 октября 4004 года до нашей эры. Исаак Ньютон, кстати, не был с ним согласен: он считал, что Бог создал Землю в 3988 году до нашей эры.

Понятие о темных веках геологического летоисчисления шло вразрез со здравым смыслом. Впрочем, так же, как и сейчас. В конце концов, как говорил Джон МакНилл – экологический историк из Джорджтаунского университета в Вашингтоне (округ Колумбия, США), – человеку свойственно при измерении длительности различных процессов сравнивать их с продолжительностью жизни самого человека; это является нормальным и естественным способом мышления. Благодаря героическим усилиям Хаттона и других ученых, пришедших после него, мы теперь знаем, что Земле около 4,56 миллиарда лет – почти немыслимый возраст.

Концепция геологического времени оказала и продолжает оказывать огромное влияние на развитие исторических наук: геологии, эволюционной биологии и космологии. Если бы не было этого определения, мы не смогли бы понять, что ряд процессов, будь то выветривание горных пород, формирование гор или эволюция видов, обычно происходит на таких временных масштабах, что их нельзя заметить в течение жизни одного человека.

Поездка на мыс Сиккар-Пойнт побудила Плейфейра написать: «Когда заглядываешь в такую бездну времени, испытываешь настоящее головокружение». Странные мимолетные видения из темного прошлого, принявшие вид морских окаменелостей, воздвигнутых высоко над морской гладью; с ними трудно смириться, так и хочется стереть их из памяти. Как сказал МакНилл: «Для меня это означает, что мы все являемся частью невообразимо длинной цепи существования, включающей в себя как человеческий род, так и нечеловеческие создания, и наши тяжкие потуги на этом фоне ломаного гроша не стоят».