Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Следующий вопрос: когда именно Земля обзавелась корой? Сегодняшняя кора почти полностью состоит из каменных пород, возраст которых не превышает 3,8 миллиарда лет. Это значит, что следов инфернального гадейского периода на поверхности почти не осталось. Большинство древних утесов сильно изменилось под влиянием температуры и давления. Кое-какую важную информацию можно извлечь из крошечных живучих кристаллов – цирконов, сохранившихся до наших дней со времен глубокой древности. В совокупности с постоянно совершенствующимися методами микроанализа они могут помочь ученым добыть знания, которые способны совершить переворот в представлениях об истории ранней Земли.

Есть и еще один способ получить знания о гадейском периоде. Геолого-разведочные работы на Луне и Марсе могли бы прояснить, какой была Земля до великого столкновения. В отличие от Земли на поверхности этих небесных тел можно найти истинно древние породы, потому что они не подвергались повторному плавлению, как это было на нашей планете. Мы можем даже вытянуть счастливый лотерейный билет по геологии – найти кусок от гадейской Земли, отколотый от материнской планеты при ударе астероида и выкинутый в открытое пространство, который впоследствии мог найти себе пристанище на Луне или на Марсе.

Таковы основные сведения о той поре, когда Земля была совсем молодой. Запомним их. А теперь вникнем в суть тех проблем, которые не дают спать по ночам людям, посвятившим себя науке о Земле, а также астрофизикам и специалистам в области палеобиологии.

Наша загадочная Луна

Объяснить происхождение Луны очень трудно. Это поистине большая проблема. Ни одна другая планета в Солнечной системе не может похвастаться спутником, который был бы настолько велик в сравнении с ней, как Луна в сравнении с Землей: размер Луны превышает четверть диаметра Земли. Есть гипотеза, что другие планеты могли захватить свои небольшие спутники, когда они случайно пролетали мимо. Но в случае с Луной этого не могло произойти: она представляет собой слишком большое небесное тело. В 1879 году астроном Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина, выдвинул другую гипотезу. Он предположил, что молодая Земля вращалась так быстро, что распалась на куски, один из которых отлетел в космос и превратился в Луну.

Эта идея была довольно популярна какое-то время, но в начале XX века впала в немилость: специалисты по планетарной динамике провели расчеты и обнаружили, что этого не могло произойти. Для раскола планеты нужно, чтобы центробежная сила, направленная наружу, была больше гравитационной силы, направленной внутрь; Земля должна была вращаться неимоверно быстро и совершать один оборот за два часа, чтобы сработал этот сценарий.

На смену идее Дарвина пришла гипотеза гигантского столкновения, согласно которой в Землю по касательной врезалось небесное тело размерами примерно с Марс (см. рис. 1.1). На ранних этапах в Солнечной системе был настоящий вихрь из небесных тел; неудивительно, что в какие-то моменты произошли столь колоссальные повреждения.

Тем не менее гипотеза гигантского столкновения не получила подтверждения в ходе анализа камней, привезенных с Луны астронавтами миссии «Аполлон». Если бы эта гипотеза была верна, некоторые лунные камни должны были бы иметь внеземное происхождение и принадлежать небесному телу, которое столкнулось с Землей; но их состав, включая изотопы кислорода, хрома, калия и кремния, оказался идентичен земным камням. Кроме того, некоторые образцы – предположительно, из лунной коры – содержали воду. При гигантском столкновении должно было выделиться тепло, которое расплавило бы камни, и воды бы не осталось.

Рис. 1.1. Верна ли гипотеза происхождения Луны в результате гигантского столкновения?

Но не все потеряно. Если даже не рассматривать чисто умозрительную идею, что внутри Земли взорвался естественный ядерный реактор и выбросил в космос часть планеты, можно путем моделирования показать, что существуют такие типы столкновения, которые могут выдержать критику в свой адрес.

Матия Кук, сотрудница американского института SETI (от англ. Search for Extraterrestrial Intelligence – «поиск внеземного разума») (Маунтин-Вью, Калифорния), и Сара Стюарт из Калифорнийского университета в Дейвисе (Калифорния) установили, что для образования Луны в результате столкновения не обязательно должен был произойти сильный удар по касательной очень массивного тела. Достаточно было того, что в прошлом Земля вращалась быстрее; тогда тело могло быть в два раза меньше Марса, но, столкнувшись с Землей, ударить ее под более крутым углом и вонзиться довольно глубоко в нашу планету. В результате компьютерного моделирования Кук и Стюарт пришли к выводу, что от такого события могло выделиться достаточно много энергии, чтобы на земную орбиту от взрыва выбросился шлейф, состоящий из чисто земных каменных пород. Тогда изотопный состав Луны и не должен отличаться от земного.

Еще одну версию гигантского столкновения, но в более «легкой» форме, предложила Робин Кэнап – американский астрофизик и планетолог из Юго-Западного исследовательского института (Боулдер, Колорадо). Она рассмотрела случай медленного столкновения двух планет, каждая из которых примерно в два раза меньше Земли. В результате слияния тел образовалась наша планета, а на долю Луны остались «отходы». Таким образом, и Земля, и Луна могли образоваться из одних и тех же ингредиентов.

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.