Жизнь на Земле могла поддерживаться из-за особых горных пород

Появление жизни на Земле — это, вероятно, одно из самых необычных событий, которые когда-либо знала Вселенная. Вскоре после своего формирования эта каменистая и огненная масса, ставшая нашей планетой, увидела зарождение жизни, примерно 3,5 миллиарда лет назад.

Для того чтобы Земля стала пригодной для жизни, в отличие от ее теллурических соседей, в нужное время были созданы очень специфические условия. Хотя геологические записи позволили датировать эти великие моменты нашей истории, условия, которые позволили Земле стать планетой, способной поддерживать жизнь, все еще частично неясны. В совместном исследовании Йельского университета и Калифорнийского технологического института недавно была выдвинута теория о том, что особые, ныне исчезнувшие породы поглотили большую часть атмосферного углерода и взаимодействовали с морской водой именно таким образом, чтобы дать начало биологическому материалу. Считается, что эти породы, обогащенные пироксенами и магнием, являются ключом к биологическому "гостеприимству" Земли.

4,5 миллиарда лет назад Земля была очень молодой и активной планетой, с еще расплавленной мантией и поверхностью, почти полностью покрытой магмой. Ее атмосфера была заполнена углекислым газом (более чем в 100 000 раз больше современного уровня), а температура поверхности превышала бы 204 °C. Экстремальные условия, которые не могут поддерживать жизнь и которые, по мнению экспертов, очень похожи на условия на Венере сегодня. Почему и как Земля могла развиваться иначе?

Многочисленные геологические записи свидетельствуют о том, что в середине катархея (первая геологическая эпоха между 4,5 и 4 миллиардами лет назад) окружающая среда на поверхности Земли уже была похожа на современную. Для того чтобы поверхностная среда превратилась из враждебной для жизни в пригодную для жизни, должны были быть выполнены очень специфические условия.

Опубликованное в журнале Nature, новое исследование американских ученых пытается объяснить и охватить первые 500 миллионов лет существования Земли. "Этот период является самым загадочным в истории Земли", — объясняет в пресс-релизе Джун Коренага, профессор наук о Земле и планетах в Йельском университете и соавтор исследования.

Чтобы представить себе возможность появления жизни во враждебном "шаре магмы", которым была наша планета, американские исследователи предполагают, что большая часть атмосферного углерода должна была быть уничтожена очень быстро. "Каким-то образом огромное количество атмосферного углерода должно было быть удалено", — говорит Йошинори Миядзаки, ведущий автор исследования.

Поскольку не существует сохранившихся образцов горных пород ранней Земли, группа исследователей разработала целую экспериментальную модель для проверки своей теории. Затем они применили точные параметры из термодинамики, механики жидкости и физики атмосферы, чтобы смоделировать условия на нашей планете в середине катархейского периода.

Кроме того, они предположили, что Земля в то время была покрыта особой горной породой, которой сегодня уже не существует. Эти породы могли сыграть ключевую роль в формировании биологических молекул, в частности, за счет поглощения избытка атмосферного углерода с "молодой" Земли. На самом деле, поскольку они, по сути, являются магматическими, они должны были быть обогащены пироксенами. По внешнему виду они, безусловно, были "темно-зелеными". Они также должны были быть чрезвычайно богаты магнием, причем в таких концентрациях, которые редко наблюдаются в современных породах. Таким образом, они могут вступать в реакцию с CO2 для получения карбонатов — очень эффективного способа связывания атмосферного углерода.

Исследователи также предполагают, что, когда расплавленная Земля начала остывать и затвердевать, ее мантия, увлажненная потоками воды, подвергалась сильным конвекционным движениям. Сочетание влажной мантии и высокомагнезиальных пироксенитов резко ускорило процесс извлечения СО2 из атмосферы. Это явление длилось бы всего 160 миллионов лет (более чем в 10 раз быстрее, чем с обычной каменной мантией).

Эта химически неоднородная мантия также является источником океанической коры, богатой оливином (первый минерал, кристаллизующийся при остывании магмы), который вступил в реакцию с морской водой и способствовал серпентинизации. "В качестве дополнительного бонуса, эти странные породы с ранней Земли могли бы легко вступить в реакцию с морской водой, чтобы произвести значительный поток водорода. Последний широко считается необходимым для создания биомолекул", — объясняет Коренага.

Такие условия и термохимические реакции в настоящее время можно наблюдать в открытом океане, в частности, в гидротермальном поле Lost City в Атлантике. Абиотическое производство водорода и метана в этих местах сделало их идеальным местом для изучения происхождения жизни на Земле. По мнению авторов исследования, эти "поля" должны были существовать в глобальном масштабе, в катархейском морском дне. "Наша теория способна объяснить не только то, как Земля стала пригодной для жизни, но и почему здесь возникла жизнь", — заключает Коренага.