Новые данные свидетельствуют о том, что тектоника плит, или рециркуляция земной коры, могла начаться гораздо раньше, чем считалось ранее, и может быть одной из главных причин появления жизни на нашей планете
На поверхности Земли идут бурные процессы. Возникают горы, континенты сливаются и разделяются, землетрясения сотрясают землю. Все эти процессы являются результатом тектоники плит, движения огромных кусков земной коры.
Это движение, возможно, и является причиной существования жизни на Земле. Земля — единственная известная планета с тектоникой плит и единственная известная планета, на которой существует жизнь. Большинство учёных считают, что это не совпадение. Перемещая огромные куски коры в мантию, средний слой Земли, тектоника плит вытягивает углерод с поверхности планеты и из атмосферы, стабилизируя климат. Она также выталкивает на поверхность минералы и молекулы, способствующие развитию жизни. Все эти факторы создают условия, в которых жизнь процветает от океанских глубин до высоких горных вершин.
Но исследователи не знают, почему и когда началась тектоника плит, поэтому трудно определить, насколько важным был этот процесс для эволюции и диверсификации жизни. Некоторые считают, что движение плит началось всего 700 миллионов лет назад, когда уже существовала простая многоклеточная жизнь. Другие полагают, что когда земные плиты впервые раскололись, на Земле царили только одноклеточные организмы.
Фактически, поскольку новые методы позволяют учёным всё глубже заглядывать в прошлое, некоторые теперь утверждают, что тектоника плит возникла вскоре после образования Земли — возможно, ещё до появления самой жизни. Если эта гипотеза верна, это может означать, что даже самая примитивная жизнь развивалась на активной планете — а это значит, что тектоника плит может быть важным фактором в поиске инопланетной жизни.
«Единственный способ надёжно увидеть долговременную историю — это на нашей собственной планете», — сказал Джесси Рейминок, геофизик, изучающий раннюю историю Земли в Университете штата Пенсильвания. «Нам нужно понять жизненный цикл планетарного тела, прежде чем мы сможем многое сделать с данными об экзопланетах».
Уничтожение доказательств
Только на Земле есть тектонические плиты. Эти гигантские кусочки головоломки сталкиваются и расходятся, как игрушечные машинки в парке аттракционов. Другие каменистые планеты в Солнечной системе имеют единую жёсткую оболочку коры — геологическую структуру, которую учёные называют «застойной крышкой» или «единой крышкой» тектоники.
В тектонике плит хрупкие куски коры и верхней мантии, похожие на блины, плавают на более горячей и подвижной мантии, расположенной ниже. Новая кора формируется на срединных океанических хребтах, где промежутки между раздвигающимися плитами создают пространство для подъёма магмы из мантии. В рамках геологического баланса плотная океаническая кора разрушается в зонах субдукции, где одна плита скользит под другую. Самый старый известный участок океанической коры, расположенный в Средиземном море, датируется всего 340 миллионами лет назад, что делает его слишком новым для того, чтобы можно было точно определить, когда возникла тектоника плит.
Континентальная кора легче океанической и плавает над разрушениями, вызванными субдукцией. Но всё же от ранних дней Земли осталось очень мало, а то, что осталось, подверглось эрозии и деформации. Менее 7% горных пород на поверхности Земли сегодня старше 2,5 миллиардов лет. Если вернуться на 4,03 миллиарда лет назад, в эпоху хадея, то там горные породы отсутствовали. Первые полмиллиарда лет жизни Земли не оставили после себя ни одного кусочка базальта.
Из-за этой постоянной планетарной переработки самые древние неопровержимые свидетельства тектоники плит — породы, образовавшиеся исключительно в зонах субдукции, — датируются лишь примерно 700 миллионами лет назад. Ещё одно веское доказательство — фрагменты океанической коры, выдвинутые на континентальную кору в начале субдукции, — появилось во всём мире около 900 миллионов лет назад. В этот геологический период только начинали появляться многоклеточные животные, такие как морские губки и гребневики.
Некоторые геологи считают, что тектоника плит действует только с того времени. Но большинство подозревает, что тектоника плит появилась раньше, в архейскую эру, которая длилась от 4 до 2,5 миллиарда лет назад. Доказательства в основном основаны на химическом анализе горных пород. Например, около 3 миллиардов лет назад есть признаки увеличения количества коры, которая плавилась и реформировалась, а не формировалась непосредственно из мантийных пород. Около 3,8 миллиарда лет назад изменение химического состава древнейших минералов Земли указывает на переход от стабильной, долговечной коры к более короткоживущей, более современной коре, что, возможно, свидетельствует о начале субдукции. Хотя нет единого мнения о дате, архейский период выглядит многообещающим временем, когда на Земле происходили большие геологические изменения.
«Это указывает на действительно важный переход», — сказала Надя Драбон, учёный-геолог из Гарвардского университета, которая возглавила исследование, указывающее на переход к более короткоживущей коре.
Горстка песка
Геофизики сходятся во мнении, что, когда бы ни началась тектоника, она, вероятно, способствовала эволюции и усложнению жизни.
«Может быть миллиарды планет с какой-то примитивной формой жизни, но способность построить радиопередатчик или запустить ракету требует определённых условий, которые могут сложиться только на планете с тектоникой плит, океанами и континентами», — сказал Роберт Стерн, геофизик из Техасского университета в Далласе.
У доисторических животных тектоническая активность была связана с более быстрыми темпами эволюции, вероятно, потому что геологические движения разделили места обитания и создали новые ниши для эволюции жизни.
Тектоника плит, возможно, также способствовала восстановлению жизни после разрушительных массовых вымираний. Например, в конце пермского периода массовое вымирание, вызванное извержениями вулканов, извергавшими углекислый газ, уничтожило 90% видов на Земле. Жизнь на планете в конечном итоге восстановилась, потому что выветривание континентальных пород разрушает углеродсодержащие минералы и смывает их в океан, где морские организмы превращают их в рифы и раковины, которые становятся известняком и в конечном итоге погружаются обратно в недра планеты. Когда атмосфера выходит из строя, тектоника постепенно возвращает Землю в среду, более благоприятную для жизни.
Хотя почти все геологи согласны с идеей, что без тектоники плит жизнь на Земле могла бы ограничиваться примитивными организмами, небольшая группа исследователей сейчас предполагает, что тектоника плит могла появиться ещё раньше — возможно, способствуя возникновению самой жизни, доставляя минералы, поддерживающие жизнь, из недр планеты в кору.
Это сложная область, которая заставляет исследователей вернуться на 4 миллиарда лет назад, в хадей. Единственным прямым свидетельством первых 500 миллионов лет существования Земли является наличие цирконов — минералов, которые выдерживают плавление при температурах и давлении мантии. Хотя породы, когда-то содержавшие эти минералы, расплавились, цирконы, которые меньше песчинок, остались.
«Они крошечные, и мы со всей силы обрушиваемся на них, пытаясь вытянуть из них всю информацию, которую только можно», — рассказал Драбон Live Science.
Эти цирконы из хадея встречаются редко; все найденные в мире экземпляры, вероятно, поместились бы в напёрстке. Тем не менее, эта горстка показала, что на Земле был океан уже 4,4 миллиарда лет назад — всего через 200 миллионов лет после образования планеты и незадолго до появления предка всей современной жизни. Согласно исследованию, опубликованному в июне, уже через 600 миллионов лет после образования Земли на планете появились суша и пресная вода.
По мнению некоторых исследователей, это указывает на то, что в хадейскую эпоху земная кора, возможно, подвергалась рециркуляции. Вода ослабляет кору, создавая потенциал для разрушения и, следовательно, субдукции, сказал Джун Коренага, геофизик из Йельского университета. Поскольку вода необходима для тектоники плит, возникает вопрос: «Почему у нас не может быть тектоники плит, если у нас была поверхностная вода?», — сказал Коренага.
В экспериментальной работе, опубликованной в 2023 году, исследователи расплавили горные породы под высоким давлением и обнаружили, что условия, имитирующие субдукцию, создают породы, схожие с самыми древними породами Земли. Коренага также утверждает, что тектоника плит является единственным эффективным способом уменьшить количество углекислого газа в атмосфере ранней Земли с уровней, обнаруженных на Венере, до более умеренных концентраций, которые существовали на Земле к началу архея.
Интересно, что в хадее произошло ещё одно важное событие, которое сделало Землю неоспоримо отличной от её каменистых соседей: примерно через 100 миллионов лет после образования Земли в неё врезалось тело размером с планету, полностью раздробив и расплавив оба тела и отбросив материал, который впоследствии стал Луной. В статье, опубликованной в начале этого года, было смоделировано это столкновение и обнаружено, что смешивание двух тел могло создать столбы горячего материала в мантии Земли, которые, возможно, вызвали субдукцию примерно 200 миллионов лет спустя.
«Почему Земля — единственная каменистая планета, на которой существует тектоника плит?» — сказал Цянь Юань, ведущий автор этой статьи и постдокторант по геодинамике в Калифорнийском технологическом институте. «Я думаю, что гигантское столкновение, приведшее к образованию Луны, могло быть основным фактором».
Но не все убеждены в этой версии. Хадейское начало тектоники плит — интригующая идея, сказал Live Science Т. Марк Харрисон, почётный профессор геонаук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, но доказательства пока что весьма скудны. Он опасается, что геологи со всех сторон слишком уверены в своих утверждениях. «Но последнее, что нам нужно, — это новая форма группового мышления, основанная буквально на щепотке песчинок», — написал Харрисон в статье с соответствующим прямолинейным названием «Мы не знаем, когда началась тектоника плит».
Жизнь на других мирах
Если тектоника плит способствует развитию жизни, или даже просто сложной жизни, поиск других организмов среди звёзд может привести человечество к геологически активной планете.
К сожалению, мы пока не можем обнаружить тектонику плит на далёких экзопланетах, сказал Тобиас Мейер, эксперт по динамике мантии из Оксфордского университета. Но в 2021 году Мейер и его команда использовали тепловые данные и компьютерное моделирование, чтобы определить, что каменистая экзопланета LHS 3844 b, расположенная в 49 световых годах от Земли, может иметь активную мантию и подвижную кору.
LHS 3844 b вряд ли может быть пригодной для жизни. Она вращается очень близко к своей звезде и не имеет атмосферы. Половина планеты находится в постоянном дневном свете, с температурой 767°, в то время как другая половина ночью охлаждается до -273°C. Именно эта разница температур между двумя сторонами планеты вызывает движение мантии в LHS 3844 b, как сообщили Мейер и его коллеги в 2021 году. Если это действительно так, то такая версия тектоники плит совсем не похожа на земную. Но она показывает разнообразие планетарной геологии, которая может скрываться в других местах космоса.
«В конечном итоге, понимание того, что вызывает тектонику и может ли она действовать на разных планетах, поможет нам понять, будут ли эти планеты пригодны для жизни», — сказал Мейер.
Более мощные телескопы, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, могут в ближайшем будущем дать более точные подсказки о геологии экзопланет. Но близкие соседи Земли также заслуживают внимательного изучения, считает Крейг О'Нил, геофизик из Технологического университета Квинсленда в Австралии. Венера находится прямо по соседству, и до сих пор остаётся спорным вопросом, была ли у неё в прошлом тектоника. Понимание её нынешней геологии с единой корой может помочь учёным выяснить, почему судьбы двух планет разошлись, и может ли тектоника плит объяснить, почему на одной планете есть жизнь, а на другой, вероятно, нет.
«Большая часть развития тектоники плит будет происходить благодаря тому, что мы будем смотреть вверх, а не вниз», — сказал О'Нил.