Жизнь и тектоника плит планеты Земля

Новые исследования говорят о том, что тектоническая активность Земли может иметь важное значение для возникновения жизни

0

При взгляде из космоса совсем не очевидно, что Земля кишит жизнью. Чтобы понять, что она здесь есть, нужно приблизиться достаточно близко к планете. Но даже из космоса наша планета все равно кажется живой. Ее поверхность разделена на семь континентов, которые омываются огромными океанами. Ниже этих океанов, в невидимых глубинах нашей планеты, тоже есть жизнь.

Десяток холодных, жестких пластин медленно скользят поверх горячей внутренней мантии Земли, ныряя друг под друга и время от времени сталкиваясь. Этот процесс, называемый тектоникой плит, является одним из определяющих характеристики планеты Земля. Люди в основном ощущают его, когда происходят землетрясения и извергаются вулканы.

Но тектоника плит ответственна за что – то более важное, чем землетрясения и извержения. Новые исследования говорят о том, что тектоническая активность Земли может иметь важное значение для другой определяющей черты нашей планеты: жизни. Наша Земля имеет движущуюся, все время трансформирующуюся внешнюю кору, и это может быть основной причиной того, что Земля настолько удивительна, и никакая другая планета не может сравниться с ее изобилием.

«Понимание тектоники плит является важным ключом к пониманию нашей собственной планеты  и причины ее обитаемости. Как возникла эта живая планета, и как ей удалось поддерживать жизнь в течение миллиардов лет?» – заявила Кэтрин Хантингтон, геолог из Вашингтонского университета. «Тектоника плит – это то, что влияет на нашу атмосферу с самых древних времен. Она происходила всегда таким образом, чтобы на поверхности была жидкая вода и температура планеты не опускалась для критических для живых организмов значений».

Извержение вулкана
Лава из вулкана Килауэа на Гавайях уничтожила десятки домов за последний месяц. Вулкан является результатом того же самого горячего пятна, который образует цепь гавайских островов.
USGS

В последние годы геологи и астробиологи все чаще называют тектонику плит одной из тех особенностей, которые делает Землю уникальной. Они показали, что атмосфера Земли обязана своей долговечностью, составом и невероятно стабильной температурой – не слишком горячей, но не слишком холодной – свойствам ее коры. Без тектоники плит, приводящей к миграции береговых линий и изменению высоты приливов, океаны будут бесплодными и лишенными питательных веществ. Если бы тектоника плит не заставила плиты нырять друг под друга и обратно в процессе, называемом субдукцией, то морское дно было бы совершенно стерильным и лишено интересной для жизни химии, а это означает, что жизнь, возможно, никогда бы и не возникла.

Однако понимание того, как тектоника плиты влияет на эволюцию – и является ли она необходимым ингредиентом в этом процессе – зависит от поиска ответов на некоторые из самых горячих вопросов в области геофизики: как и когда плиты начали двигаться. Выяснение, почему наша планета имеет движущуюся кору, может рассказать геологам не только о Земле, но и обо всех планетах или лунах с твердыми поверхностями, и то, могут ли они иметь жизнь.

От гор до морских глубин

В 2012 году кинорежиссер Джеймс Кэмерон стал одним из немногих людей, которые погружались в самое глубокое место на Земле. Он коснулся дна на глубине 10898 метров ниже поверхности океана в самой глубокой точке Марианской впадины — «Бездне Челленджера», находящейся на стыке двух тектонических плит. Кэмерон обнаружил там свидетельства того, что жизнь процветает даже в таких экстремальных местах нашей планеты.

По мере того, как тихоокеанская плита погружается в мантию Земли, она нагревается и высвобождает воду, которую содержат ее породы. В процессе, называемом серпентинизацией, вода вымывается из плиты и меняет физические свойства верхней мантии. Это превращение позволяет метану и другим соединениям просачиваться из мантии через горячие источники на холодном дне океана.

Подобные процессы, происходившие на ранней Земле могли бы обеспечить начальные ингредиенты для метаболизма, которые, возможно, породили первые делящиеся клетки. Кэмерон показал доказательства существования современных потомков таких клеток: микробные маты – колонии микробов, которые процветают под толщей почти одиннадцати километров воды, куда солнечный свет не проникает, а давление более чем в 1000 раз превышает существующее на уровне моря.

«Это действительно захватывающе, потому что это связывает тектонику плит с жизнью», – сказал Кит Клепейс, геолог из Университета Вермонта. «Это дает нам идеи о том, что искать в других местах в Солнечной системе. Это дает нам представление о том, что могло происходить на Земле в древности».

колонии глубоководных микробов
Микробный коврик в белом покрывает желтые кораллы у вулкана Восточный Диаманте в Тихоокеанском кольцевом огне. Коврик подает химическую энергию гидротермальных вентиляционных отверстий. Экспедиция «Тихоокеанское кольцо огня 2004». Управление океанических исследований NOAA;  Д-р Боб Эмбли, NOAA PMEL, главный научный сотрудник.

Рекордное погружение Камерона было не единственной экспедицией, демонстрирующей связь между тектоникой плит и жизнью океана. Недавние исследования связывают тектоническую активность плит с вспышкой эволюции, названной кембрийским взрывом, случившейся 541 млн. лет назад. Тогда вдруг, как кажется без каких либо причин, возникла потрясающая масса новой, сложной жизни.

В декабре 2015 года исследователи из Австралии опубликовали отчет об исследовании примерно 300 образцов, полученных при бурении морского дна по всему миру. Некоторые из них имели возраст более 700 миллионов лет. Ученые измеряли уровень фосфора, а также микроэлементов, таких как медь, цинк, селен и содержащие кобальт питательные вещества, которые необходимы для поддержания жизни. Когда эти питательные вещества обильны в океанах, они могут вызвать быстрый рост планктона. Исследователи из Университета Тасмании показали, что концентрации этих элементов увеличилась на порядок примерно 560-550 миллионов лет назад.

Ученые утверждают, что именно тектоника плит ответственна за этот процесс. Горы формируются, когда континентальные плиты сталкиваются и толкают скалы в небо, где они подвергаются воздействию воды из атмосферы. Затем выветривание медленно выщелачивает питательные вещества из гор в океаны.

Удивительно, но ученые также обнаружили, что эти элементы были в изобилии в более поздние периоды – и что эти периоды совпадали с массовыми вымираниями. Скорее всего такие периоды, связанные с питательными веществами, случались, когда фосфор и микроэлементы потреблялись Землей быстрее, чем их можно было пополнить.

Тектоническая активность также играет важную роль в поддержании долгосрочной устойчивости температурного режима Земли. Планета со слишком большим количеством углекислого газа может стать похожей на Венеру, ныне адски горячую. Активность плит на Земле помогла регулировать уровень углекислого газа в течение многих геологических эпох.

Процесс выветривания, который вытягивает питательные вещества из горных вершин, позволяя им попадать в океаны, также помогает удалять углекислый газ из атмосферы. Первый этап этого процесса происходит, когда атмосферный углекислый газ объединяется с водой с образованием угольной кислоты – соединения, которое помогает растворять породы и ускорять процесс выветривания. Дождь вносит в океан как углекислоту, так и кальций из растворенных пород. Диоксид углерода также растворяется непосредственно в океане, где сочетается с углекислотой и растворенным кальцием, чтобы произвести известняк, который падает на дно океана. В конечном итоге связанный углекислый газ поглощается мантией.

Тектоника плит может даже отвечать за другой атмосферный ингредиент и, возможно, самый важный: кислород.

За полтора миллиарда лет до кембрийского взрыва, еще в архейской эпохе, на Земле почти не было кислорода, которым мы дышим сейчас. Водоросли уже начали использовать фотосинтез для производства кислорода, но большая часть этого кислорода потреблялась богатыми железом породами, которые использовали кислород для своего превращения в ржавчину.

Согласно исследованиям, опубликованным в 2016 году, тектоника плит инициировала двухэтапный процесс, который привел к более высоким уровням кислорода. На первом этапе субдукция заставила мантию Земли меняться и вырабатывать два типа коры – океаническую и континентальную. В континентальной версии было меньше минералов, богатых железом, и больше богатых кварцем пород, которые не вытягивают кислород из атмосферы.

Затем в течение следующих миллиардов лет – с 2,5 миллиарда лет назад до 1,5 миллиарда лет назад – камни накачивали углекислым газом воздух и океаны. Дополнительный углекислый газ помог водорослям, которые стали производить еще больше кислорода – достаточно много для того, чтобы в конечном итоге вызвать кембрийский взрыв.

Тектонические плиты на других планетах

Получается тектоника важна для жизни?

Проблема состоит в том, что у нас есть один образец. У нас есть одна планета, одно место с водой и скользящей внешней корой, одно место, которое изобилует жизнью. Другие планеты или луны могут иметь активность, напоминающую земную тектонику, но она не похожа на ту, которую что мы видим на Земле.

Земля в конечном итоге остынет настолько, что тектоника плит будет ослабевать, и планета в итоге перейдет в застывшее состояние. Новые суперконтиненты будут расти и исчезать, прежде чем это произойдет, но в какой-то момент землетрясения прекратятся. Вулканы будут выключены навсегда. Земля умрет, как Марс. Будут ли какие – либо формы жизни населять ее к этому времени – это вопрос будущего.

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

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: