|
Мантия Земли дышала кислородом за миллиард лет до жизни
|
|
|
|
Почему на Земле есть жизнь? Это один из самых древних вопросов, которые задавал себе человек, и, насколько нам известно, наша планета — единственная, на которой есть ответ на этот вопрос. Земля — единственная известная нам планета с тектоникой плит, медленным перемешиванием внешней оболочки, которое приводит к круговороту горных пород, изменению очертаний континентов и круговороту питательных веществ, необходимых для поддержания жизни.
|
|
|
|
Новое международное исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience и проведённое под руководством доктора Хьюго Морейры, научного сотрудника Королевского общества в Портсмутском университете, помогает нам лучше понять происхождение жизни, прослеживая историю кислорода на Земле на протяжении миллиардов лет, вплоть до того времени, когда планета и её атмосфера выглядели совсем не так, как сейчас.
|
|
|
|
Чтобы заглянуть так далеко в прошлое, команда Морейры обратилась к одному из самых прочных минералов на Земле — циркону. Эти крошечные кристаллы могут сохраняться практически в неизменном виде на протяжении миллиардов лет, и с помощью лазеров в университетской лаборатории масс-спектрометрии и лазерной абляции учёные могут определить их возраст с поразительной точностью. В ходе этого исследования возраст некоторых образцов был установлен с точностью до 3,4 миллиарда лет.
|
|
|
|
|
|
|
Некоторые из этих цирконов содержат второй, более мелкий минерал — апатит, заключённый внутри, как муха в янтаре. Поскольку апатит запечатан внутри более прочного циркона, он защищён от изменений, а значит, его возраст точно такой же, как и у циркона.
|
|
|
|
«Эти минералы очень интересны для учёных, ведь по сути это капсулы времени, — говорит Морейра из Института Земли и окружающей среды Портсмутского университета. — Поскольку они так хорошо защищены, мы можем проанализировать их химический состав, чтобы получить нетронутый снимок момента, произошедшего миллиарды лет назад. Мы изучаем раннюю Землю, когда она была совсем другой планетой, и пытаемся понять, что от неё осталось до наших дней».
|
|
От лаборатории до гигантского рентгеновского аппарата
|
|
|
|
Команда сотрудничала с международной сетью исследователей и изучала образцы древних горных пород со всего мира, в том числе из Австралии, Финляндии, Южной Африки, Бразилии и Шотландии, которые были отправлены в Портсмут для первичного анализа.
|
|
|
|
Затем образцы были доставлены в Европейский центр синхротронного излучения (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF) в Гренобле, Франция, — одну из самых мощных рентгеновских установок в мире, где исследователи с помощью специальной методики измерили химическое состояние серы, заключённой внутри каждого крошечного кристалла апатита.
|
|
|
|
Форма, которую принимает сера, действует как высокочувствительный химический отпечаток пальца. Это показывает, сколько кислорода присутствовало в момент образования кристалла, в точке, где внешняя оболочка планеты опускается и возвращается в ее недра — процесс, называемый субдукцией.
|
|
|
|
"Эти кристаллы крошечные, часто уже человеческого волоса, и содержат лишь небольшое количество серы", - объяснила соавтор Марин Котт, ученый, отвечающий за ID21, луч ESRF, на котором проводились измерения.
|
|
|
|
"Итак, нам нужен был рентгеновский луч, который был бы очень тонким, очень чувствительным и достаточно быстрым, чтобы измерять большое количество кристаллов. Таким образом, мы могли быть уверены, что результаты отражают общую картину, а не только один или два образца".
|
|
Первое дыхание Земли
|
|
|
|
На протяжении большей части ранней истории Земли в воздухе и океанах почти не было кислорода. Ситуация изменилась примерно 2,3 миллиарда лет назад в результате так называемого Великого окислительного процесса. Этот момент часто называют моментом, когда Земля "начала дышать".
|
|
|
|
Ученые также давно подозревали, что кратковременные локализованные выбросы кислорода происходили и раньше — небольшие кислородные оазисы появлялись между 3 и 3,5 миллиардами лет назад, в то время, когда на Земле почти не было жизни, способной его производить.
|
|
|
|
Сера, содержащаяся в этих древних кристаллах, свидетельствует о том, что уже в те времена глубинная мантия Земли реагировала на поступление кислорода с поверхности. Мантия — это толстый, преимущественно твёрдый средний слой Земли, расположенный между земной корой и внешним ядром.
|
|
|
|
Химический состав кислорода в слоях мантии, подвергшихся переработке, изменился в период от 3,4 до 3 миллиардов лет назад и оставался стабильным на протяжении всего изученного периода в 3,4 миллиарда лет, достигнув современного уровня примерно 2,1 миллиарда лет назад.
|
|
|
|
Это позволяет предположить, что некая форма субдукции — процесса, в ходе которого поверхностные материалы постоянно погружаются в недра Земли, — уже тогда переносила окисленные вещества вниз, в то время как атмосфера над ними претерпевала изменения. Иными словами, глубинные слои мантии и поверхность Земли были связаны и реагировали друг на друга гораздо раньше, чем считалось ранее.
|
|
|
|
Кроме того, это первый случай, когда для изучения этого вопроса учёные использовали один и тот же тип горных пород на протяжении всего этого периода, а не сравнивали разные типы пород из разных геологических эпох.
|
|
|
|
Морейра объяснил, почему это важно: «Использование одного и того же типа горных пород даёт нам гораздо более надёжный результат. Мы сравниваем подобное с подобным на протяжении миллиардов лет, а не пытаемся преодолеть разрыв между разными видами данных».
|
|
Общая картина
|
|
|
|
Морейра признает, что это исследование в обозримом будущем не изменит повседневную жизнь людей. Вместо этого оно призвано ответить на одни из самых древних вопросов, которые когда-либо задавал себе человек.
|
|
|
|
«Речь не о том, чтобы изменить нашу жизнь завтра, — говорит он. — Речь о том, чтобы ответить на философские вопросы, которые заложены в самой нашей природе как человеческих существ: откуда мы взялись и зачем мы здесь? Это исследование, движимое любопытством, простым стремлением познавать мир. Оно не окажет мгновенного влияния на жизнь обычного человека, но может помочь человечеству лучше понять себя как вид.
|
|
|
|
Я бы сказал, что тектоника плит сыграла важную роль не только в зарождении жизни, но и в ее дальнейшем развитии. Мы пытаемся проследить, когда стало возможным зарождение жизни и когда эта система появилась на нашей планете, чтобы понять, как Земля стала пригодной для жизни».
|
|
|
|
Это исследование является продолжением более ранней работы, опубликованной в журнале Nature Geoscience в 2023 году, в которой впервые была выявлена связь между древней атмосферой Земли и глубинными химическими процессами, происходившими во время Кислородной катастрофы.
|
|
|
|
Источник
|
