Почему растрескавшаяся кора Земли может оказаться необходимой для жизни

Для жизни требуется не только вода. Недавние открытия говорят о том, что тектоника плит сыграла решающую роль в зарождении жизни на Земле. Последствия открытий серьёзно повлияют на поиски жизни в других частях Вселенной


Разлом Сильфра в Исландии формирует часть границы между Северо-Американской и Евразийской литосферными плитами. Плиты расходятся друг от друга примерно на 2 см в год

Издалека неочевидно, что Земля полна жизни. Придётся довольно близко подойти к ней, чтобы увидеть крупнейшие леса, и ещё ближе, чтобы заметить работу людей, не говоря уже о микробах. Но даже из космоса планета кажется живой. Её поверхность разломана на семь континентов, разделённых огромными водными пространствами. Под этими океанами, в невидимых глубинах нашей планеты, всё оказывается ещё более живым. Земля пережёвывает сама себя, расплавляет сама себя и обновляется.

Десяток холодных и твёрдых плит медленно скользят по поверхности горячей внутренней мантии, подныривая друг под друга и иногда сталкиваясь. Этот процесс тектоники плит – одна из определяющих характеристик Земли. Люди по большей части воспринимают его через землетрясения и более редкие извержения вулканов. То, что в данный момент лава вырывается наружу на задворках планеты, на Гавайях – в месте прорыва глубокой мантии – связано с тектонической активностью.

Однако тектоника – это не только землетрясения и вулканы. Волна новых исследований всё чаще намекает на то, что внешние движения Земли могут оказаться жизненно важными для другой её определяющей характеристики – жизни. То, что кора Земли движется и меняется, может быть главной причиной обилия жизни на планете, и того, что другие планеты не могут с ней в этом сравниться.

“Понимание тектоники плит – основной ключ к пониманию нашей планеты и её обитаемости. Как создать обитаемую планету и поддерживать на ней жизнь миллиарды лет подряд?” – сказала Катарина Хантингтон, геолог из Вашингтонского университета. “Тектоника плит модулирует нашу атмосферу на крупнейших временных масштабах. Она необходима для удержания воды, поддержания тепла, для того, чтобы жизнь бурлила”.


Лава вулкана Килауэа на Гавайях уничтожила десятки домов этим летом. Вулкан является результатом такого же прорыва глубокой мантии, какой сформировал цепь гавайских островов.

За последние несколько лет геологи и астробиологи всё чаще связывают тектонику плит со всем остальным, что придаёт Земле уникальность. Они показали, что атмосфера Земли обязана долговечностью, компонентами и невероятно постоянной температурой, остающейся в зоне обитаемости – не слишком холодной, не слишком горячей – возобновляющейся коре. На Земле, возможно, и не было бы океанов, если бы их вода периодически не поглощалась мантией планеты, чтобы затем выйти обратно. Без тектоники плит, порождающей береговые линии и приливы, океаны могли бы быть безжизненными, и все питательные вещества лежали бы на недосягаемых глубинах. Если бы тектоническая активность не заставляла плиты подныривать одна под другую – такой процесс называется субдукцией – тогда дно океана было бы холодным и лишённым интересных химических соединений, а жизнь могла бы так никогда и не зародиться. Некоторые исследователи вообще считают, что без движения континентов жизнь не могла бы развиться до сложных форм.

В 2015 году Джеймс Дом и Шигенори Марюяма из Токийского технологического института придумали для этой взаимозависимости название: троица обитаемости. Оно описывает планету с большим количеством воды, атмосферой и тектоническими плитами – и все эти компоненты обмениваются материалом, обеспечивая его циркуляцию, необходимую для жизни.

Однако понимание того, как тектоника влияет на эволюцию – и является ли она необходимым ингредиентом для этого – зиждется на поиске ответа на один из наиболее горячих вопросов геологии: как и когда плиты начали двигаться. Если разобраться, почему на нашей планете появилась подвижная кора, геологи смогут не только узнать больше о нашей планете, но и обо всех планетах или лунах с твёрдой поверхностью, в том числе, возможности существования жизни на них.

От гор до впадин

В 2012 году режиссёр Джеймс Камерон стал первым человеком, погрузившимся в одиночку до дна самой глубокой впадины Земли. Он опустился на 10 900 метров ниже уровня моря в Бездну Челленджера, углубление, расположенное в Марианской впадине, крупной разделительной линии между двух тектонических плит. Камерон собрал во впадине образцы, включая и свидетельства жизни, процветающей на швах нашей планеты.

По мере затягивания Тихоокеанской плиты в мантию Земли, она разогревается и выпускает воду, заключённую в камне. В процессе серпентинитизации вода выделяется из плиты и изменяет физические свойства верхней мантии. Этот переход позволяет метану и другим компонентам просачиваться из мантии сквозь горячие источники на холодное дно океана.

Сходные процессы на ранних стадиях развития Земли могли обеспечивать базовые ингредиенты для метаболизма, который, возможно, породил первые воспроизводящиеся клетки. Камерон принёс с собой свидетельства современных потомков таких клеток – цианобактериальные маты, комки микробов, живущих под толщей воды в 11 км, куда не проникает солнечный свет, и где давление в 1000 раз больше, чем на уровне моря.

“Это очень интересно, это связывает тектонику плит с жизнью”, – сказал Киф Клепей, геологи из Университета Вермонта. “Это даёт нам идеи по поводу того, что следует искать в Солнечной системе, и как могла выглядеть ранняя жизнь на Земле”.


Белый цианобактериальный мат покрывает жёлтые кораллы близ вулкана Ист-Диамант в Тихоокеанском вулканическом огненном кольце.

Рекордное погружение Камерона было не единственной экспедицией, показавшей связь между тектоникой плит и океанской жизнью. Некоторые исследования связывают тектоническую активность с взрывным этапом эволюции, известным, как Кембрийский взрыв, произошедшим 541 млн лет назад, когда появился невероятно большой массив новых сложных форм жизни.

В декабре 2015 года исследователи из Австралии опубликовали исследование порядка 300 морских кернов, взятых со дна с различных мест планеты, в некоторых из которых были найдены пробы возрастом более 700 млн лет. Они нашли следы фосфора, меди, цинка, селена и кобальта – необходимых для жизни веществ. Когда в океанах много этих веществ, они могут вызывать быстрый рост популяции планктона. Исследователи под руководством Росса Ларджа из Тасманийского университета продемонстрировали, что концентрация этих элементов увеличилась на порядок в период от 560 до 550 млн лет назад.

Лардж с командой утверждают, что этот процесс подстегнула тектоника плит. При столкновении континентальных плит появляются горы, устремляющиеся в небо, где их омывают дожди. Эрозия затем медленно вымывает питательные вещества с гор, перенося их в океан.

Менее ожидаемым было другое открытие – оказалось, что в более позднее время этих веществ в океанах было меньше, и эти периоды совпали с массовыми вымираниями. Эти небогатые питательными веществами периоды случались, когда фосфор и остальные элементы поглощались Землёй быстрее, чем возобновлялись, сказал Лардж.

Тектоническая активность также играет основную роль в поддержке долгосрочной стабильности термостата Земли. Рассмотрим двуокись углерода. Планета со слишком большим количеством двуокиси углерода может превратиться в Венеру, доменную печь планетарного масштаба. Активность плит на Земле помогала регулировать уровень двуокиси углерода в течение целых эпох.

Та же эрозия, что вымывает питательные вещества с гор в океаны, помогает удалять двуокись углерода из атмосферы. Первый этап этого процесса происходит при комбинировании двуокиси углерода с водой, в результате чего получается угольная кислота – состав, помогающий растворять камни и ускоряющий эрозию. Дождь несёт угольную кислоту и кальций из растворённых камней в океаны. Двуокись углерода также растворяется в океане напрямую, где, комбинируясь с угольной кислотой и растворённым кальцием, порождает известняк, опадающий на дно океана. В итоге, после невообразимо долгого времени, изолированная двуокись углерода поглощается мантией.

“Этот процесс регулирует CO2 в атмосфере на длительных промежутках времени”, – сказала Хантингтон.


Аляскинский хребет продолжает расти и сегодня, под воздействием тектоники плит. Гора Денали, видимая в середине фото, растёт со скоростью порядка полумиллиметра в год.

Тектоника плит может даже оказаться ответственной за другой ингредиент атмосферы, вероятно, наиболее важный: кислород.

За целых два миллиарда лет до Кембрийского взрыва, в архее, на Земле практически не было такого воздуха, каким мы дышим сегодня. Водоросли начали использовать фотосинтез для производства кислорода, но большая его часть поглощалась скалами, богатыми железом, использовавшими кислород для производства ржавчины.

Согласно опубликованному в 2016 году исследованию, тектоника плит запустила двухэтапный процесс, приведший к росту уровней кислорода. На первом этапе сабдукция привела к изменению мантии Земли, из-за чего появились два типа коры – континентальная и океанская. У континентальной коры меньше скал, богатых железом, и больше скал, богатых кварцем, не высасывающим кислород из атмосферы.

За последовавшие миллиарды лет – в период от 2,5 млрд до 1,5 млрд лет назад – скалы размывались и закачивали двуокись углерода в воздух и океаны. Лишняя двуокись углерода помогала водорослям, которые вырабатывали ещё больше кислорода – достаточно для того, чтобы запустить Кембрийский взрыв.

Тектоника плит также могла подстегнуть эволюцию. Роберт Стерн, геолог из Техасского университета в Далласе, считает, что тектоника плит появилась в неопротерозойскую эру, от 1 млрд до 540 млн лет назад. Это совпало бы с периодом необычного глобального похолодания, случившимся 700 млн лет назад, который геологи и палеоклиматологи называют “Земля-снежок“. В апреле Стерн и Натаниэль Миллер из Техасского университета в Остине опубликовали исследование, утверждающее, что тектоника плит могла катастрофически перераспределить континенты, нарушив работу океанов и атмосферы. Стерн говорит, что это кардинально повлияло бы на жизнь.

“Для разгона эволюции требуется изоляция и конкуренция. Если земля и море не меняются, нет стимула к конкуренции и видообразованию, – сказал Стерн. – В этом и участвует тектоника плит. После появления жизни можно заставить её развиваться быстрее, разламывая континенты и шельфы, передвигая их на другие широты, комбинируя их заново”.

Стерн также предположил, что тектоника плит может оказаться необходимой для эволюции сложных существ. Он считает, что наличие сухих участков на континентах необходимо для появления конечностей и рук, позволяющих существам хватать и манипулировать объектами, а на планете с океанами и континентами тектоника плит максимизирует вероятность видообразования и естественного отбора.

“Я думаю, что жизнь может зародиться и без тектоники плит. Думаю, у нас так и было. Но я не думаю, что мы можем зародиться без тектоники плит”, – сказал он.

Стерн представляет, как в далёком будущем телескопы на орбите Земли смогут определить, какие из экзопланет окажутся скалистыми, и на каких из них есть тектоника плит. Посланцы к далёким звёздным системам сначала должны нацеливаться на планеты без тектоники плит, сказал он, чтобы не навредить развитию сложных форм жизни.

Взламывая оболочку Земли

Но всё зависит от того, когда начался этот процесс – а это большой открытый вопрос.

Земля сформировалась порядка 4,54 млрд лет назад, и началась с раскалённого шара расплавленного камня. У неё, вероятно, не было тектоники плит в привычном виде, по крайней мере, в течение 1 млрд лет после появления, в основном потому, что новорожденная планета была слишком горячей, сказал Крейг О’Нил, планетолог из Университета Макуайри в Австралии.

Тогда, как и сейчас, конвекция внутренних слоёв планеты должна была перемещать тепло и камни. Камни в мантии сжимаются и разогреваются в горниле земных внутренностей, а потом поднимаются к поверхности, где охлаждаются и становятся плотнее, чтобы потом вновь утонуть и запустить процесс снова. Представьте себе лавовую лампу.

Оплатите подписку, и реклама отключится

В процессе конвекции вертикальное движение происходило даже на молодой Земле. Но тогда мантия была относительно тонкой и жидкой, сказал О’Нил, и не была способной создать силу, необходимую для разлома твёрдой коры.

“Субдукции не было. Не было горизонтального движения, – сказал Клепис. – Было время до формирования первых континентов, – время до появления земли, если хотите. У Земли была “неподвижная крышка” без отдельных плит.

О’Нил в 2016 году опубликовал исследование, по которому молодая Земля была больше похожей на вулканический спутник Юпитера Ио, “где присутствует активный вулканизм и практически нет поперечного движения”, сказал О’Нил. С охлаждением планеты плиты могли с большей вероятностью соединяться с мантией, расположенной под ними, заставляя планету вступить в эру тектоники плит.

В связи с этим встаёт вопрос о том, что раскололо крышку и создало эти плиты.

Некоторые исследователи считают, что запустить этот процесс могло вмешательство. За последние два года несколько команд предположили, что астероиды, оставшиеся после рождения Солнечной системы, могли взломать крышку Земли. Прошлой осенью О’Нил с коллегами опубликовали исследование, где предполагают, что бомбардировка Земли астероидами спустя полмиллиарда лет после её формирования могла начать субдукцию, внезапно погрузив холодную внешнюю кору в горячую верхнюю мантию. В 2016 Марюяма с коллегами рассуждали, что астероиды вместе с ударной энергией могли
принести и воду, что ослабило бы камни и запустило бы движение плит.

Но, возможно, что помощь Земле не требовалась. Её собственный процесс охлаждения мог разбить крышку на куски, как у пирога в слишком горячей печи.


Что могло взломать твёрдую кору Земли, окружающую мантию, в центре которой находится ядро?


Охлаждение и раскол: охлаждённые части коры могло затянуть вниз, что создало бы границы плит, и заставило бы их подныривать друг под друга


Столбы магмы могли подняться на поверхность, расплавить кору, и разделить её


Бомбардировка астероидами могла проделать дыры в коре, углубив кору в горячую мантию

Три миллиарда лет назад на некоторых участках Земли могла существовать кратковременная тектоника плит, но она не была широко распространена. Более холодные участки коры должны были тонуть, ослабляя окружающую их кору. При таком процессе слабые участки в итоге должны были превратиться в границы плит. В конце они должны были сформировать тектонические плиты, двигаемые субдукцией – так указано в работе 2014 года из журнала Nature за авторством Дэвида Берковичи из Йельского университета и Яника Рикарда из Лионского университета во Франции.

Или же могло произойти нечто противоположное: вместо давления холодной коры горячие столбы магмы – как те, что приводят к извержениям на Гавайях – могли подняться к поверхности, просочиться через кору, растопить её и разломать крышку. Стерн и Скот Уотэм из Корейского университета в Сеуле показали, как это могло происходить, в работе от 2015 года.

Согласно этим теориям, тектоника плит могла начинаться и останавливаться несколько раз, перед тем, как набрать скорость примерно 3 млрд лет назад. “Если попросить всех специалистов назвать какую-то цифру, то окажется, что в сообществе бытует мнение, что тектоника плит начала появляться примерно 3 млрд лет назад”, – сказал О’Нил.

Однако сложно сказать наверняка, поскольку свидетельства этого весьма редки.

“Океанической коре всего 200 млн лет. Нам просто не хватает необходимых свидетельств, – сказал О’Нил. – С 1980-х геохимия прошла большой путь, но фундаментальные вопросы никуда не делись”.

Старейшие камни Земли говорят о том, что какая-то прото-субдукция начала происходить ещё 4 млрд лет назад, но эти камни сложно интерпретировать, сказал О’Нил. Тем временем, от 3 до 2 млрд лет назад, мантия Земли, судя по всему, претерпела некоторые химические изменения, которые можно отнести на счёт охлаждения, и изменила схему конвекции. Некоторые геологи считают это свидетельством постепенного появления и распространения тектоники плит по планете.

“По-настоящему, мы просто не знаем”, – сказал Брэд Фоули, геофизик из Пенсильванского университета. “У нас есть камни, но мы не можем разобраться, какое однозначное свидетельство сможет рассказать нам, была ли в то время тектоника плит или субдукция, или же их точно не было”.

Плиты других планет

Так необходима ли тектоника для жизни?

В итоге, вся проблема оказывается в том, что у нас есть лишь один пример. Есть только одна похожая на Землю планета, одно место с водой и скользящей внешней корой, одно место, где процветает жизнь. У других планет или лун может быть активность, похожая на тектонику, но ничего близкого к тому, что мы наблюдаем на Земле.

Возьмём Энцелад, замёрзшую луну Сатурна, выбрасывающую материал в космос из странных разломов в её повсеместной ледяной коре. Или Венеру, планету, которая, судя по всему, поменяла поверхность 500 млн лет назад, но у которой нет видимых нам плит. Или Марс, обладатель крупнейшего в Солнечной системе вулкана Олимп, чья история тектоники покрыта тайной. Олимп находится в огромной выпуклой провинции Фарсида, настолько огромной, что она могла нажать на кору Марса так сильно, что его полюса разошлись.

О’Нил опубликовал исследование, показывающее, что на планете размером с Марс с большим количеством воды можно запустить активную тектонику. Другие предполагали, что некоторые участки южного полушария Марса напоминают дно океана. Но исследователи соглашаются, что на нём не было никакого движения за последние 4 млрд лет, примерно со времени формирования его коры, согласно данным, полученным с его орбитальных станций и роботов на его поверхности.

“Есть мнения, что, возможно, на очень ранних этапах у него могла быть тектоника плит, но я считаю, что её там, вероятно, никогда не было”, – сказал Фоули.


Долины Маринер на Марсе – это каньон, простирающийся на 3000 км, и достигающий глубины в 8 км

Посадочный аппарат InSight, запущенный в мае, должен опуститься на планету 26 ноября, и помочь разрешить эти споры. Три инструмента InSight должны измерить толщину и состав марсианской коры, мантии и ядра, что даст новые подсказки к тому, как Марс потерял своё магнитное поле и была ли у него когда-нибудь тектоника плит.

“Если мы сможем понять другие планеты, Венеру и Марс, и луны Юпитера, это поможет нам узнать, что нужно искать на Земле. В этом состоит причина необходимости исследования других планет – это помогает нам в собственном доме”, – сказал Клепис.

И хотя происхождение тектоники плит остаётся предметом обсуждения, геологи могут согласиться с тем, что в какой-то момент шестерёнки перестанут двигаться.

О’Нил считает, что тектоника плит – это промежуточная фаза жизни каменистых планет. В процессе старения планета может перейти от горячего и инертного мира к тёплому миру с тектонической активностью, а потом – к холодному и снова инертному миру. Мы знаем, что с охлаждением планеты могут замирать; многие геологи считают, что это случилось на Марсе, охлаждавшемся быстрее Земли, поскольку он меньше в размерах.

Земля в итоге остынет достаточно, чтобы тектоника плит пошла на спад, и планета снова окажется в состоянии с инертной крышкой. До этого ещё появятся и исчезнут новые сверхконтиненты, но в какой-то момент землетрясения исчезнут. Вулканы замолчат навсегда. Земля умрёт, как Марс. А будут ли ещё к тому моменту существовать формы жизни, покрывающие все её трещинки – это вопрос будущего.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

532 просмотров всего, 13 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Загадочная кипящая река в Перу варит животных заживо Геолог Андре Рузо склоняется к Кипящей реке, открытой им в 2011 году Учёные считают, что открыли крупнейшую в мире термальную реку, находящуюся в джунглях в сердце Перуанской Амазонии. Она остаёт...
Антропоцен против мегхалайского века: почему геологи спорят о том, является ли человечество силой пр... В июле 2018 года Земля обнаружила, что живёт в новом временном периоде, который назвали мегхалайским веком. Однако этот анонс, сделанный Международным союзом геологических наук (МСГН), запутал и р...
Новая разочаровывающая проблема геоинженерии Приглушение яркости неба не спасёт урожай После массивного извержения вулкана Пинатубо в 1991-м аэрозольная завеса из сульфатов циркулировала в атмосфере Земли в течение нескольких месяцев. За п...
Чтобы понять вулканы других миров, надо сначала забраться на наши... Розали Лопес побывала на десятках активных вулканов Земли и открыла ещё больше вулканов в Солнечной системе. Её работа позволяет установить, могут ли вулканы на дальних лунах создать дружественные для...