Новое на тему: наука о Земле
Долгое время в науке господствовало мнение, что на протяжении, по меньшей мере, первых 500 миллионов лет своего существования Земля представляла собой жидкий шар, состоящий из раскалённой магмы, и что лишь к концу этого периода, который именуется эрой Гадеса, или гадесской эпохой, планета остыла достаточно, чтобы начали формироваться кора и твёрдые горные породы. Первые сомнения в верности этой модели появились после того, как в 2-х небольших горных массивах на западе Австралии – Маунт-Нэрриер и Джек-Хиллз – в толще более молодых пород были обнаружены чрезвычайно древние кристаллы циркона. Саймон Уайлд (Simon Wilde), профессор геологии Университета имени Джона Кёртина (John Curtin) в Перте, штат Западная Австралия, говорит:
Мы продолжаем получать оттуда новые, очень интересные данные. Возраст самого древнего из всех найденных нами на сегодняшний день кристаллов циркона составляет 4 миллиарда 406 миллионов лет. Таким образом, он почти ровесник нашей планеты: моложе её всего на 150 миллионов лет. Из той эпохи «младенчества» Земли до нас не дошло никаких других минералов. Только циркон практически вечен: способен выдерживать крайне высокие температуры, гигантские давления и воздействие агрессивных сред. Все прочие минералы, образовавшиеся в тот же период, что и этот циркон, давно истёрлись в порошок, были унесены движением тектонических плит обратно в недра Земли и там расплавились. Уцелели только кристаллы циркона. Так вот, их анализ даёт нам теперь основания предполагать, что уже в ту эпоху на поверхности Земли имелась жидкая вода. Так родилась новая гипотеза – о прохладной юной планете. Ясно, что эта гипотеза никак не укладывается в прежние представления о геологической истории Земли.
Стремительный прогресс в области технологии химического анализа и постоянно совершенствующееся оборудование позволили учёным уже сегодня не только с высокой точностью определить возраст циркона, но и выдвинуть гипотезу о наличии жидкой воды на поверхности совсем ещё молодой Земли. В пользу такой модели говорят результаты изотопного анализа. Ведь в химическом отношении циркон представляет собой смесь двуокиси циркония и двуокиси кремния, что и позволило Саймону Уайлду провести изотопный анализ содержащегося в молекулах кислорода. Как известно, многие элементы, и кислород в том числе, существуют в виде нескольких изотопов, то есть их атомы отличаются количеством нейтронов в ядре. Кислород представлен двумя изотопами – О-16 и О-18. Тяжёлый изотоп О-18 составляет в среднем лишь 0,2 процента от общего объёма кислорода, но процесс испарения воды нарушает это соотношение: более лёгкий кислород О-16 испаряется быстрее, поэтому в жидком остатке воды доля кислорода О-18 оказывается повышенной. Именно этот эффект и дал австралийским учёным основание предположить наличие жидкой воды на поверхности молодой Земли. И вот теперь эта гипотеза получила ещё одно подтверждение: группа немецких исследователей обнаружила в древних кристаллах циркона микровключения алмазов. Собственно, главная честь сенсационного открытия принадлежит 25-летней студентке-дипломнице факультета минералогии Мюнстерского университета Мартине Меннекен (Martina Menneken). Она честно признаётся:
Это просто невероятная удача, чистое везение, что нам посчастливилось сделать столь сенсационную находку. Конечно, мы и потрудились немало, изучили 1000 кристаллов циркона. Однако с этими кристаллами и до нас работало много народу. Поэтому то, что мы обнаружили эти алмазные включения, – прежде всего, везение.
Особенно, если самая главная находка обнаруживается в первом же взятом для исследования и положенном под микроскоп образце. В этом кристалле Мартина Меннекен нашла 2 крохотных кристаллика алмаза. Изучив все имеющиеся на сегодняшний день образцы древнего циркона – а это ровно 1000 кристаллов, – мюнстерские исследователи в 45-ти из них выявили микровключения алмазов. Правда, напрямую определять возраст алмазов учёные не умеют, зато возраст циркона может быть установлен с высокой точностью. Этим немецко-австралийская команда и воспользовалась, – рассказывает профессор Уайлд:
Мы выбрали ту область кристалла, которая расположена между двумя крупинками алмазов, произвели её датировку, и оказалось, что возраст этого циркона 4 миллиарда 265 миллионов лет. Это самый старый их всех 45-ти кристаллов циркона, в которых наши мюнстерские коллеги нашли алмазы. Если исходить из того, что алмазы внутри циркона – его ровесники, то это значит, что находка Мартины Меннекен на добрый миллиард лет древнее самого старого из известных ранее алмазов.
Несмотря на микроскопические размеры алмазных включений – их диаметр варьируется от 10-ти до 60-ти микрометров, – исследователи радуются этой находке ничуть не меньше, чем если бы они нашли крупный камень массой в несколько сотен карат. Потому что для науки эти миниатюрные крупицы поистине бесценны. Прежде всего, они служат подтверждением гипотезы, согласно которой Земля остывала значительно быстрее и твёрдая кора на ней образовалась гораздо раньше, чем было принято считать ещё совсем недавно. Мало того, существование таких алмазных включений заставляет предположить, что уже на столь ранней стадии развития планеты на ней имелись океаны, континенты и некое подобие движения тектонических плит. Пока, правда, происхождение этих включений окончательно не выяснено, но многое говорит в пользу одной версии, – полагает Мартина Меннекен:
Насколько мы можем сейчас судить, эти алмазы по всем показателям обнаруживают наибольшее сходство с теми алмазами, которые сегодня находят в метаморфических горных породах, сложившихся в условиях сверхвысокого давления.
Такие породы образуются сегодня на больших глубинах, где сталкиваются две плиты земной коры. Мартина Меннекен говорит:
Если мы можем принять такое сравнение и если условия на Земле в ранний период её существования не определялись совершенно иными процессами, нежели сейчас, то можно с некоторой уверенностью утверждать, что 4 миллиарда 300 миллионов лет назад здесь уже имела место тектоническая активность.
Такая модель предполагает наличие уже достаточно холодных и тяжёлых тектонических плит, поскольку только в этом случае одна плита земной коры могла бы погрузиться в глубину мантии, если на неё наползает другая. Причём нужны континентальные плиты, океанических плит для создания давления, необходимого для образования алмазов, явно недостаточно, – подчёркивает Саймон Уайлд. И функционирует весь этот механизм лишь при наличии смазки, а смазкой может быть опять-таки только жидкая вода. Конечно, на совсем ещё молодой планете, насчитывавшей лишь около 150-ти миллионов лет, тектонические процессы отличались от сегодняшних. Ядро Земли было гораздо горячее, а интенсивность теплового потока в направлении поверхности втрое выше, чем сегодня. Но в принципе именно этот поток тепла от ядра к поверхности и далее через атмосферу в космическое пространство и тогда, и сегодня является тем единственным мотором, который приводит в движение тектонические плиты и заставляет извергаться вулканы. Понятно, что в древности эти процессы носили более масштабный характер. Первые континентальные плиты и, соответственно, первые континенты были, видимо, мелкими, но весьма многочисленными.
В конце концов, напрашивается ещё один вопрос: не означает ли всё это, что и жизнь на Земле зародилась раньше, чем сегодня принято считать? Тем более что алмаз – одна из модификаций углерода, а ведь именно этот элемент лежит в основе всей биохимии. По словам Торстена Гайслера (Thorsten Geisler), научного руководителя Мартины Меннекен, «в руки учёных попал самый древний углеродный реликт, и теперь предстоит выяснить, не участвовали ли атомы этого углерода в биологическом обмене веществ». Так же, как и кислород, углерод существует в природе в виде нескольких изотопов – помимо основного изотопа С-12, имеется тяжёлый изотоп С-13, доля которого составляет около 1,1 процента, а также радиоактивный нестабильный изотоп С-14. Все живые клетки, будь то бактериальные, растительные или животные, предпочитают лёгкий изотоп углерода, в результате чего концентрация тяжёлого изотопа в органических тканях оказывается ниже, чем в неорганических материалах. Точно так же, как повышенное содержание тяжёлого кислорода указывает на наличие жидкой воды, так пониженное содержание тяжёлого углерода служит признаком жизни. Правда, тут есть одна проблема: к сожалению, существует и ряд других процессов, не связанных с биологией, но способных уменьшить концентрацию тяжёлого изотопа углерода. По словам профессора Уайлда, перед учёными, которым предстоит теперь изучать древние алмазы, встала чрезвычайно сложная, но невероятно интересная задача.
А теперь поговорим несколько подробнее о взаимосвязи тектоники и тепловых потоков. Недавно американские исследователи обнаружили, что окружающий нас рельеф местности на поверхности Земли в значительной мере определяется температурными перепадами в недрах нашей планеты. Ведь в принципе Земля напоминает очень густую кашу, томящуюся в кастрюле на плите. Происходящий в ядре Земли радиоактивный распад выделяет огромное количество тепла, и его выносят на поверхность конвекционные потоки. Они, как уже говорилось, являются мотором тектонических процессов, однако один из побочных эффектов до сих пор, похоже, учёными почти не принимался во внимание. Деррик Хастерок (Derrick Hasterok), научный сотрудник университета штата Юта в Солт-Лейк-Сити, поясняет:
Нью-Йорк находился бы значительно ниже уровня моря, под водой, если бы тектонические процессы не выносили на поверхность уйму тепла. Это тепло разогревает кору, её плотность уменьшается, и она всплывает как корка. А, скажем, на севере Канады этот эффект не наблюдается: там кора очень древняя и, соответственно, холодная.
Если бы на всей территории Северной Америки земная кора и лежащие под ней верхние слои мантии были бы в таком же состоянии, что и на севере Канады, всё восточное побережье США от Бостона до Майами находилось бы под водой на глубине от 400 до 700 метров:
Без этого мощного потока тепла из недр Земли вся территория США ушла бы под воду. На поверхности океана виднелись бы разве что наиболее высокие вершины нескольких хребтов в системе Кордильер – Каскадных гор, Скалистых гор и Сьерра-Невады. Денвер, административный центр штата Колорадо, находился бы не на высоте 1600 метров над уровнем моря, а под водой. То же самое относится и к Солт-Лейк-Сити.
Эти данные изрядно удивили специалистов. До сих пор геологи полагали, что рельеф поверхности определяется только плотностью горных пород и силами растяжения и сжатия в тектонических плитах. Перепады температур не учитывались, и это, как показал анализ сейсмических колебаний, было ошибкой. Чем холоднее горная порода, тем быстрее распространяются в ней сейсмические волны. Это позволяет составить достаточно точную карту распределения температур в земной коре и верхних слоях мантии. Именно в процессе этой работы и обнаружилось значительное влияние восходящих из недр тепловых потоков на рельеф поверхности Земли, – говорит Деррик Хастерок:
Этот факт позволяет нам сегодня утверждать, что топография лишь наполовину определяется составом и свойствами горных пород. Вторая половина – это температурное воздействие.
Наглядным примером могут служить плато Колорадо и Великие равнины вдоль восточных склонов Скалистых гор. Оба плато состоят из одних и тех же горных пород, но Великие равнины ниже в среднем на полторы тысячи метров. Всё объясняется просто: земная кора под плато Колорадо почти на 150 градусов горячее. Соответственно, она здесь менее плотная и всплывает наверх. Деррик Хастерок поясняет:
В отношении океанов влияние тепловых потоков из недр Земли признано давно – несколько десятилетий назад. В районе срединно-океанических хребтов относительная высота дна может достигать 3-х тысяч метров. Там в результате тектонических растяжений образуются разломы, и из недр Земли поднимается горячая магма. Образуется новая океаническая земная кора, которая сдвигает старую в сторону. Получается что-то вроде непрерывного конвейера. Чем дольше участки коры находятся на таком конвейере, тем они старше, холоднее, плотнее, и тем ниже они погружаются. Для океанов эта модель известна, но никому до сих пор не приходило в голову применить её и к континентам.
Возможно, учёных отпугивала сложность строения континентальных плит. Так или иначе, сегодня американские учёные заняты расчётом зависимости рельефа от температур на других континентах.
А в заключение передачи – о том, почему мало-мальски сложные формы жизни образовались на Земле лишь около 540 миллионов лет назад, хотя, как теперь выясняется, твёрдая кора и жидкая вода появились на Земле даже раньше, чем считалось до сих пор. Всё дело в кислороде, вернее, в его отсутствии, – утверждают австралийские исследователи. Проанализировав горные породы, возраст которых составляет 1 миллиард 600 миллионов лет, они пришли к выводу, что континент был окружён океаном очень странного, на наш сегодняшний взгляд, вида. Биогеохимик Йохен Брокс (Jochen Brocks) из Австралийского национального университета в Канберре говорит:
Это море было совершенно непохоже на те моря, с которыми мы имеем дело в более поздние эпохи. Цвет древнему морю придавали обитавшие в нём бактерии, а преобладавшие два вида серных бактерий были один пурпурно-красным, а другой – изумрудно-зелёным.
Для этих бактерий, как и для большинства других, источником энергии является солнечный свет, однако фотосинтез основан на расщеплении не воды, а сероводорода. Сероводорода же в древних океанах хватало, отчего от них исходила, судя по всему, невыносимая вонь тухлых яиц. В процессе такого фотосинтеза также образуется необходимый бактериям водород для восстановления двуокиси углерода, но кислород не выделяется. Всё это поведали учёным керны из глубоких буровых скважин на севере Австралии:
Эти образцы были добыты одной из нефтяных компаний. Древний океан находился тогда примерно там, где сегодня залив Карпентария. Это Арафурское море, отделяющее Австралию от Папуа-Новой Гвинеи.
Правда, цианобактерии, то есть сине-зелёные водоросли, производящие кислород, в тот период уже существовали, но их было мало, и недостаток кислорода тормозил эволюцию – как и тот факт, что океаны с высоким содержанием серы непригодны для жизни высших организмов. Такова теория, которая теперь получила экспериментальное подтверждение, – рассказывает Йохен Брокс:
Если я умру и упаду в болото, то через несколько сотен миллионов лет тут можно будет обнаружить следы моего присутствия в виде холестана – своего рода химического ископаемого, углеводорода, образующегося из холестерина. Точно так же многие бактерии, и водоросли, и растения, разлагаясь, оставляют после себя специфические молекулы, позволяющие их идентифицировать. В частности, после серных бактерий остаются молекулы каротиноидов с двумя ароматическими кольцами на конце, и их ни с чем не спутаешь.
И такие молекулы действительно присутствуют в кернах в гигантском количестве.