Находки ископаемых ставят под сомнение существующие представления о происхождении Земли.

Серия находок ископаемых свидетельствует о том, что жизнь на Земле зародилась раньше, чем кто-либо считал, ставя под сомнение широко распространенную теорию происхождения Солнечной системы. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

В засушливом, залитом солнцем северо-западном уголке Австралии, вдоль Тропика Козерога, под открытым небом виднеется самая древняя сторона Земли. Проехав немного по северной части австралийской пустыни, к югу от Порт-Хедленда на побережье, вы увидите холмы, сглаженные временем. Они являются частью региона, называемого Пилбарским кратоном, который сформировался около 3,5 миллиардов лет назад, когда Земля была еще молодой.

Присмотритесь внимательнее. Из трещины в одном из этих холмов вываливается груда древних, похожих на апельсиновый крем, пород: залежи, называемые апексным кремнем. Внутри этой породы, видимой только под микроскопом, находятся крошечные трубочки. Некоторые похожи на петроглифы, изображающие торнадо; другие напоминают сплющенных червей. Это одни из самых спорных образцов горных пород, когда-либо собранных на этой планете, и они могут представлять собой одни из древнейших форм жизни, когда-либо обнаруженных.

В прошлом месяце исследователи нанесли очередной удар в многолетнюю дискуссию о природе этих форм. Они действительно являются ископаемыми остатками жизни и датируются 3,465 миллиардами лет назад, как утверждает Джон Вэлли, геохимик из Университета Висконсина. Если Вэлли и его команда правы, то эти окаменелости указывают на то, что диверсификация жизни произошла на удивительно раннем этапе бурной юности планеты.

Эти окаменелости дополняют волну открытий, указывающих на новую версию древней Земли. За последний год отдельные группы исследователей раскопали, измельчили и подвергли лазерной обработке куски породы, которые могут содержать следы жизни, существовавшей 3,7, 3,95 и, возможно, даже 4,28 миллиарда лет назад. Все эти микроокаменелости — или связанные с ними химические свидетельства — являются предметом жарких споров. Но все они ставят под сомнение традиционную версию.

Согласно этой истории, в течение полумиллиарда лет после своего образования Земля была адской и раскаленной. Молодой мир был разорван вулканической активностью и подвергался бомбардировкам со стороны других планет, что создало настолько ужасную и негостеприимную для жизни среду, что геологическая эра получила название гадейской, по аналогии с греческим подземным миром. Жизнь могла зародиться лишь после особенно мощного астероидного града, завершившегося около 3,8 миллиарда лет назад.

Однако эта версия подвергается всё большей критике. Многие геологи теперь считают, что Земля, возможно, с самого начала была тёплой и водной. Самые древние породы, зафиксированные в летописи, указывают на то, что части земной коры остыли и затвердели к 4,4 миллиардам лет назад. Кислород в этих древних породах свидетельствует о том, что вода на планете существовала ещё 4,3 миллиарда лет назад. И вместо эпохальной, финальной бомбардировки, метеоритные удары могли постепенно прекратиться по мере того, как Солнечная система принимала свою нынешнюю конфигурацию.

«На ранних этапах всё действительно во многом напоминало современный мир. Была вода, возможно, некоторая стабильная земная кора. Не исключено, что существовал пригодный для жизни мир и какая-либо форма жизни», — сказала Элизабет Белл, геохимик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Взятые вместе, последние данные с древней Земли и Луны рисуют картину совершенно иной Земли в гадейский период: прочный, твердый, умеренный, прозрачный, как метеориты, и покрытый водой мир, Эдем с самого начала.

Древние подсказки

Примерно 4,54 миллиарда лет назад Земля формировалась из пыли и камней, оставшихся после рождения Солнца. Более мелкие остатки солнечной энергии постоянно обрушивались на молодую Землю, нагревая её и обогащая радиоактивными веществами, которые ещё больше нагревали её изнутри. Поверхность Земли была покрыта океанами магмы. В те времена Земля была не столько каменистой планетой, сколько раскалённым шаром лавы.

Вскоре после образования Земли, заблудившаяся планета с невероятной силой врезалась в неё, возможно, вновь испарив Землю и образовав Луну. Метеоритные удары продолжались, некоторые из них образовали кратеры диаметром 1000 километров. В стандартной парадигме гадейского эона эти удары завершились атакой, получившей название Поздней тяжёлой бомбардировки, также известной как лунный катаклизм, в ходе которой астероиды мигрировали во внутреннюю часть Солнечной системы и обрушились на каменистые планеты. На протяжении этой ранней эры, закончившейся около 3,8 миллиарда лет назад, Земля была расплавленной и не могла поддерживать кору из твёрдой породы, не говоря уже о жизни.

Но примерно десять лет назад эта история начала меняться, во многом благодаря крошечным кристаллам, называемым цирконами. Эти драгоценные камни, которые часто достигают размера точки в конце этого предложения, рассказывали о более прохладном, влажном и, возможно, пригодном для жизни мире еще 4,3 миллиарда лет назад. В последние годы окаменелости в древних породах подтвердили рассказ цирконов о более спокойном климате. Микроокаменелости торнадов Пилбарского кратона — последний тому пример.

Сегодня самые древние свидетельства возможной жизни — в существовании которой многие ученые сомневаются или категорически отвергают — датируются как минимум 3,77 миллиардами лет назад, а возможно, и поразительно древними 4,28 миллиардами лет назад.

В марте 2017 года Доминик Папино , геохимик из Университетского колледжа Лондона, и его студент Мэтью Додд описали трубчатые окаменелости в обнажении в Квебеке, относящиеся к истокам истории Земли. Это геологическое образование, называемое Нуввуагиттук (Nuvvuagittuq), представляет собой фрагмент первобытного океанического дна Земли. Окаменелости, примерно вдвое тоньше человеческого волоса и всего полмиллиметра в длину, были погребены внутри. Они состоят из оксида железа, называемого гематитом, и, по словам Додда, могут представлять собой окаменелые города, построенные микробными сообществами до 4,28 миллиарда лет назад.

«Они образовывали бы эти желеобразные, ржаво-красные маты на скалах вокруг гидротермальных источников», — сказал он. Подобные структуры существуют и в современных океанах, где сообщества микробов и похожих на кровь трубчатых червей процветают вокруг безжизненных, дымящихся черных трубок.

Додд обнаружил трубки рядом с графитом и с карбонатными «розетками» — крошечными углеродными кольцами, содержащими органические вещества. Розетки могут образовываться в результате различных небиологических процессов, но Додд также обнаружил минерал, называемый апатитом, который, по его словам, является диагностическим признаком биологической активности. Исследователи также проанализировали варианты, или изотопы, углерода в графите. Как правило, живые организмы предпочитают использовать более легкие изотопы, поэтому преобладание углерода-12 над углеродом-13 может быть использовано для вывода о прошлой биологической активности. Графит рядом с розетками также указывал на наличие жизни. Взятые вместе, трубки и окружающая их химия предполагают, что они являются остатками микробного сообщества, которое жило рядом с глубоководным гидротермальным источником, сказал Додд.

Геологи спорят о точном возрасте горного пояса, где были найдены окаменелости, но сходятся во мнении, что он включает в себя одно из древнейших, если не самое древнее, железорудное геологическое образование на Земле. Это говорит о том, что и сами окаменелости тоже очень древние — намного старше всего, что было найдено ранее, и намного старше, чем многие ученые считали возможным.

Затем в сентябре 2017 года японские исследователи опубликовали результаты исследования графитовых хлопьев из осадочной породы возрастом 3,95 миллиарда лет, известной как блок Саглек, в Лабрадоре, Канада. Юдзи Сано и Цуёси Комия из Токийского университета утверждали, что соотношение изотопов углерода в их графите указывает на то, что он также был создан живыми организмами. Однако графитовые хлопья не сопровождались какими-либо признаками, похожими на окаменелости; более того, история окружающей породы неясна, что позволяет предположить, что углерод может быть моложе, чем кажется.

Дальше на восток, на юго-западе Гренландии, другая группа исследователей также обнаружила свидетельства древней жизни. В августе 2016 года Аллен Натман из Университета Вуллонгонга в Австралии и его коллеги сообщили об обнаружении строматолитов — ископаемых остатков микробов, возраст которых составлял 3,7 миллиарда лет.

Многие геологи скептически относятся к каждому из этих утверждений. Например, окаменелости Натмана происходят из пояса Исуа на юге Гренландии, где находятся самые древние известные осадочные породы на Земле. Но пояс Исуа сложно интерпретировать. Подобно тому, как небиологические процессы могут формировать углеродные розетки Додда, основные химические процессы могут создавать множество слоистых структур без какого-либо участия жизни, что позволяет предположить, что это могут быть не строматолиты, а безжизненные имитации.

Кроме того, как зеленокаменный пояс Нуввуагиттук, так и пояс Исуа подвергались нагреванию и сжатию в течение миллиардов лет, в результате чего породы плавились и перекристаллизовывались, изменяя свое первоначальное осадочное состояние.

«Я не думаю, что какие-либо из этих других исследований ошибочны, но я также не думаю, что какое-либо из них является доказательством», — сказал Вэлли, исследователь из Висконсина. «Все, что мы можем сказать, это то, что [камни Натмана] похожи на строматолиты, и это очень заманчиво».

Однако в отношении своей работы с окаменелостями Пилбарского кратона Вэлли проявляет гораздо меньше осмотрительности.

Признаки жизни

Микроокаменелости, образовавшиеся в результате образования торнадо, находились в Пилбарском кратоне 3,465 миллиарда лет, прежде чем были отделены от своей первоначальной породы, упакованы в коробку и отправлены в Калифорнию. Палеобиолог Уильям Шопф из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе опубликовал свое открытие этих странных завитков в 1993 году и идентифицировал в образцах 11 различных микробных таксонов. Критики утверждали, что эти формы могли образоваться в результате небиологических процессов, и геологи спорили об этом на протяжении многих лет. В прошлом году Шопф отправил образец Вэлли, эксперту по сверхчувствительному прибору для измерения изотопных соотношений, называемому масс-спектрометром вторичных ионов.

Команда Вэлли обнаружила, что некоторые из предполагаемых окаменелостей имели такое же соотношение изотопов углерода, как и современные фотосинтезирующие бактерии. Три других типа окаменелостей имели такое же соотношение, как и метаноядные или метанопроизводящие микробы. Более того, изотопные соотношения коррелируют с конкретными видами, которые уже были идентифицированы Шопфом. Места, где были измерены эти изотопные соотношения, соответствовали форме самих микроокаменелостей, сказала Вэлли, добавив, что это самые древние образцы, которые выглядят как окаменелости как физически, так и химически.

Хотя это и не самые древние образцы в летописи — если принять происхождение пород, описанных Доддом, Комией и Натманом, — циклонические миниатюры Шопфа и Вэлли обладают важным отличием: они разнообразны. Наличие такого множества различных соотношений изотопов углерода предполагает, что порода представляет собой сложное сообщество примитивных организмов. У этих форм жизни должно было быть время для эволюции до бесконечных итераций. Это означает, что они должны были возникнуть даже раньше, чем 3,465 миллиарда лет назад. А это значит, что наши древнейшие предки действительно очень и очень древние.

Водный мир

Ископаемые остатки не были первым признаком того, что ранняя Земля могла быть райским, а не адским местом. Сами горные породы начали предоставлять эти доказательства еще в 2001 году. В том году компания Valley обнаружила цирконы, которые указывали на то, что кора планеты существовала еще 4,4 миллиарда лет назад.

Цирконы — это кристаллические минералы, содержащие кремний, кислород, цирконий и иногда другие элементы. Они образуются внутри магмы и, подобно некоторым более известным кристаллам углерода, являются вечными — они могут пережить породы, в которых образуются, и выдержать эоны невообразимого давления, эрозии и деформации. В результате они являются единственными породами, оставшимися со времен гадейского периода, что делает их бесценными капсулами времени.

Вэлли отколола образцы из Джек-Хиллз в Западной Австралии и обнаружила изотопы кислорода, которые указывают на то, что кристалл образовался из материала, измененного жидкой водой. Это говорит о том, что часть земной коры остыла, затвердела и содержала воду по меньшей мере на 400 миллионов лет раньше, чем образовались самые ранние известные осадочные породы. Если существовала жидкая вода, то, вероятно, существовали и целые океаны, сказала Вэлли. Другие образцы циркона подтвердили это.

«Адейский период не был похож на ад. Об этом мы узнали из цирконов. Конечно, там были вулканы, но они, вероятно, были окружены океанами. Там, по крайней мере, была какая-то суша», — сказал он.

Цирконы позволяют предположить, что жизнь там, возможно, и существовала.

В исследовании, опубликованном в 2015 году, Белл и ее соавторы представили доказательства наличия графита, внедренного в крошечный кристалл циркона возрастом 4,1 миллиарда лет, найденный в тех же самых холмах Джек-Хиллз. Смесь изотопов углерода в графите намекает на биологическое происхождение, хотя это открытие — опять же — вызывает бурные споры.

«Есть ли другие объяснения, помимо существования жизни? Да, есть», — сказал Белл. «Но это я считаю наиболее убедительным доказательством существования какой-либо окаменелости или биогенной структуры».

Если сигналы, обнаруженные в древних породах, верны, они говорят нам о том, что жизнь была повсюду и всегда. Почти везде, где ученые проводят исследования, они находят свидетельства жизни и ее химического состава, будь то в виде самих окаменелостей или остатков давних зарождений жизни. Жизнь, далеко не привередливая и хрупкая, возможно, зародилась в самых ужасных условиях, какие только можно себе представить.

«Жизнь умудрялась происходить интересными вещами одновременно с тем, как Земля переживала самые страшные столкновения в своей истории», — сказал Билл Боттке, планетолог из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо.

А может, и нет. Может, с Землей все было в порядке. Может, эти столкновения произошли не так быстро, как все думали.

Доказательства избиения

Мы знаем, что Земля, как и всё остальное, в прошлом подвергалась бомбардировкам астероидами. Луна, Марс, Венера и Меркурий — все они являются свидетелями этого первобытного воздействия. Вопрос в том, когда это произошло и как долго это продолжалось.

Основываясь в основном на образцах, доставленных астронавтами программы «Аполлон» на Луну, учёные пришли к выводу, что в гадейскую эпоху Земли существовало как минимум две отдельные эпохи «бильярда» Солнечной системы. Первая была неизбежным побочным эффектом формирования планет: потребовалось некоторое время, чтобы планеты поглотили самые крупные астероиды, а Юпитер собрал остальные в главный пояс астероидов.

Второй катаклизм произошел позже. Он начался примерно через 500–700 миллионов лет после образования Солнечной системы и окончательно сошел на нет около 3,8 миллиарда лет назад. Этот катаклизм называется Поздней интенсивной бомбардировкой, или лунным катаклизмом.

Как и в большинстве случаев в геохимии, доказательства всемирной катастрофы, события в самых огромных масштабах, какие только можно себе представить, получены из очень, очень малых величин. Изотопы калия и аргона в образцах, взятых в рамках программы «Аполлон», показали, что части Луны внезапно расплавились примерно через 500 миллионов лет после её образования. Это было воспринято как доказательство того, что она была уничтожена в считанные секунды.

Цирконы также предоставляют предварительные физические свидетельства существования ада поздней эры. Некоторые цирконы содержат «шоковые» минералы, свидетельствующие об экстремальном нагреве и давлении, которые могут указывать на нечто ужасное. Многие из них моложе 3 миллиардов лет, но Белл обнаружила один циркон, указывающий на быстрый, экстремальный нагрев около 3,9 миллиарда лет назад — возможный признак поздней тяжелой бомбардировки. «Все, что мы знаем, это то, что существует группа перекристаллизованных цирконов этого периода. Учитывая совпадение с поздней тяжелой бомбардировкой, было слишком сложно не предположить, что это может быть связано», — сказала она. «Но чтобы действительно это установить, нам нужно будет изучить данные о цирконах в других местах по всей планете».

Пока других признаков нет, — сказал Аарон Кавоси из Университета Кертина в Австралии.

Лунные камни

В 2016 году Патрик Бёнке, ныне работающий в Чикагском университете, заново изучил оригинальные образцы, полученные в рамках программы «Аполлон», которые на протяжении десятилетий являлись главным доказательством в пользу поздней интенсивной бомбардировки. Он и Марк Харрисон из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе повторно проанализировали изотопы аргона и пришли к выводу, что камни, полученные в рамках программы «Аполлон», могли подвергаться многократным ударам с момента их образования на натальной луне, что может создавать впечатление, что камни моложе, чем они есть на самом деле.

«Даже если решить аналитические проблемы, — сказал Бёнке, — то останется проблема в том, что образцы, взятые в рамках программы «Аполлон», находятся очень близко друг к другу». Существует вероятность того, что астронавты из шести миссий «Аполлон» взяли образцы горных пород с одного астероида, выбросы которого распространились по всей обращенной к Земле стороне нашего спутника.

Кроме того, зонды, вращающиеся вокруг Луны, такие как космический аппарат Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) и Lunar Reconnaissance Orbiter, обнаружили около 100 ранее неизвестных кратеров, в том числе следы резко возросшего числа ударов, произошедших еще 4,3 миллиарда лет назад.

«Это интересное совпадение орбитальных данных и данных образцов, причем самых разных — лунного ударного стекла, образцов с Луны, образцов с программы «Аполлон», лунных метеоритов — все они указывают на нечто, что не является катастрофическим всплеском 3,9 миллиарда лет назад», — сказала Николь Зеллнер, планетолог из колледжа Альбион в Мичигане.

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

Боттке, изучающий астероиды и динамику Солнечной системы, — один из нескольких исследователей, предлагающих модифицированные объяснения. Теперь он склоняется к медленному увеличению бомбардировки, за которым последовало постепенное снижение. Другие считают, что поздней бомбардировки не было, и вместо этого кратеры на Луне и других каменистых телах являются остатками первого типа «бильярда», естественного процесса формирования планет.

«У нас есть совсем немного данных, и мы пытаемся что-то с ними сделать», — сказал он. «Вы пытаетесь построить историю, а иногда просто гонитесь за призраками».

Жизнь берет свое.

Пока это будет происходить, ученые будут обсуждать гораздо более важные вопросы, чем динамика ранней Солнечной системы.

Если некоторые из новых свидетельств действительно отражают признаки первобытной жизни, то наши предки могут быть намного старше, чем мы думали. Жизнь могла возникнуть в тот момент, когда планета стала для неё благоприятной — в тот момент, когда она достаточно остыла, чтобы в ней могла существовать жидкая вода.

«В юности меня учили, что для формирования жизни требуются миллиарды и миллиарды лет. Но я не смог найти никаких оснований для подобных утверждений», — сказал Вэлли. «Я думаю, вполне возможно, что жизнь возникла в течение нескольких миллионов лет после того, как условия стали пригодными для жизни. С точки зрения микроба, миллион лет — это очень долгий срок, но по геологическим меркам это всего лишь мгновение ока».

«Нет никаких причин, по которым жизнь не могла бы возникнуть 4,3 миллиарда лет назад», — добавил он. «Нет никаких причин».

Если бы 3,9 миллиарда лет назад не произошло массовой стерилизации, или если бы несколько мощных ударов астероидов ограничили разрушение одним полушарием, то древнейшие предки Земли могли бы существовать здесь с самых туманных дней рождения планеты. А это, в свою очередь, делает идею о существовании жизни в других уголках космоса менее неправдоподобной. Жизнь может быть способна выдерживать ужасные условия гораздо легче, чем мы думали. Ей может не потребоваться много времени, чтобы зародиться. Она может возникать рано и часто и до сих пор может быть усеяна Вселенной. Ее бесчисленные формы, от микробов, образующих трубки, до слизи, затаившейся в земле, могут быть слишком малы или просты, чтобы общаться так, как это делает жизнь на Земле, — но они были бы не менее реальными и не менее живыми.

Исправление: 29 марта 2021 г.
В предыдущей версии этой статьи название города Порт-Хедленд, Австралия, было написано с ошибкой.

Данная статья была перепечатана на сайтах Wired.com и Spektrum.de.

Источник: www.quantamagazine.org