Ученые связали появление континентов с возникновением жизни на Земле

Международная группа исследователей выдвинула новую гипотезу о том, что формирование первых континентов могло сыграть ключевую роль в возникновении жизни на Земле. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Terra Nova, рост древней континентальной коры помог стабилизировать концентрацию бора в океанах ранней Земли — химического элемента, который считается важным для образования молекул РНК.

Авторы работы предполагают, что без появления континентов условия в древних океанах могли оставаться слишком агрессивными для возникновения сложной пребиотической химии. Исследование связывает геологическую эволюцию планеты напрямую с возможностью появления первых живых систем.

Почему бор считается важным для происхождения жизни

Бор давно рассматривается учеными как один из потенциально важных элементов в ранней химической эволюции Земли.

Особый интерес вызывает способность соединений бора стабилизировать рибозу — сахар, необходимый для построения РНК. Именно РНК многие ученые считают одной из первых самовоспроизводящихся молекул, существовавших до появления ДНК и белков.

Проблема заключается в том, что рибоза является крайне нестабильным соединением. В условиях ранней Земли она быстро разрушалась под действием температуры, воды и химических реакций.

Соединения бора способны связываться с рибозой и повышать ее устойчивость. Это делает бор потенциально важным компонентом так называемого «РНК-мира» — гипотетического этапа эволюции, когда РНК выполняла одновременно функции хранения информации и катализа химических реакций.

Однако концентрация бора должна находиться в достаточно узком диапазоне.

Слишком малое количество не оказывает заметного эффекта. Слишком большое — становится токсичным и нарушает химические процессы.

Как континенты могли изменить химию океанов

Исследование показывает, что в самые ранние эпохи существования Земли концентрация бора в океанах, вероятно, была слишком высокой.

Около 4–3,7 миллиарда лет назад поверхность Земли сильно отличалась от современной:

• крупных континентов практически не существовало;
• большая часть поверхности была покрыта океаном;
• кора оставалась тонкой и нестабильной;
• вулканическая активность была чрезвычайно высокой;
• атмосфера почти не содержала кислорода.

Ситуация начала меняться по мере формирования первых устойчивых континентальных массивов.

Ключевую роль, по мнению исследователей, сыграли гранитные породы континентальной коры.

Именно в них активно формируется минерал турмалин — сложный борсодержащий силикат.

Турмалин оказался важным геохимическим «регулятором»

Турмалин известен не только как полудрагоценный камень. В геологии он играет важную роль как минерал, способный связывать бор внутри континентальной коры.

Авторы исследования считают, что по мере роста континентов турмалин начал постепенно извлекать избыток бора из окружающей среды.

Вместо резких скачков концентрации элемент стал поступать в океаны медленно и более стабильно.

Это могло создать химическую среду, благоприятную для:

• сохранения рибозы;
• формирования органических молекул;
• устойчивой пребиотической химии;
• возникновения первых самовоспроизводящихся систем.

Фактически континенты могли работать как гигантская геохимическая система регулирования.

Земля раннего архея была совсем другой планетой

Сегодня Земля выглядит геологически стабильной, однако ранняя история планеты была крайне бурной.

В архее и хадее:

• происходили постоянные столкновения астероидов;
• действовал интенсивный вулканизм;
• температура мантии была значительно выше современной;
• кора регулярно разрушалась и переплавлялась;
• океаны имели иной химический состав.

Некоторые модели предполагают, что ранняя Земля вообще могла не иметь полноценной тектоники плит в современном виде.

При этом именно формирование устойчивой континентальной коры стало одним из крупнейших геологических переходов в истории планеты.

Когда появились первые континенты

Этот вопрос остается предметом активных споров.

Разные исследования дают различные оценки:

• отдельные фрагменты континентальной коры могли существовать уже более 4 миллиардов лет назад;
• устойчивые крупные континенты начали формироваться примерно 3,7–3,5 миллиарда лет назад.

Основными источниками информации являются древнейшие минералы Земли — цирконы.

Некоторым из них более 4,3 миллиарда лет.

Они содержат химические сигнатуры, указывающие на существование воды, плавления коры и, возможно, ранних процессов, напоминающих тектонику плит.

Почему континенты важны для жизни

Современная Земля во многом остается пригодной для жизни именно благодаря континентам и тектонике плит.

Континенты влияют на:

• химический состав океанов;
• климатическую стабильность;
• круговорот углерода;
• распределение минералов;
• содержание питательных веществ;
• циркуляцию атмосферы и океанов.

Тектоника плит также участвует в долговременной регуляции температуры планеты.

Без постоянного удаления углекислого газа через выветривание пород и последующее погружение углерода в мантию Земля могла бы столкнуться либо с парниковым перегревом, либо с глобальным оледенением.

Возникновение жизни могло зависеть от геологии

Новое исследование усиливает идею о том, что происхождение жизни невозможно рассматривать отдельно от геологии планеты.

Ранее многие модели концентрировались преимущественно на:

• химии океанов;
• молниях;
• гидротермальных источниках;
• атмосферных реакциях;
• ударах астероидов.

Теперь становится все очевиднее, что внутренняя эволюция планеты могла быть не менее важной.

Если химический состав океанов зависит от структуры коры и тектонических процессов, то вероятность появления жизни напрямую связана с геологией.

Это меняет подход к поиску жизни на экзопланетах

Исследование имеет важные последствия для астробиологии.

Сегодня ученые находят тысячи экзопланет, и многие из них находятся в так называемой зоне обитаемости — области, где возможна жидкая вода. Однако наличие воды само по себе может быть недостаточным условием для возникновения жизни.

Если для появления жизни необходимы:

• континенты;
• гранитная кора;
• стабильный геохимический цикл;
• длительная тектоническая активность,

то число потенциально обитаемых миров может оказаться значительно меньше.

Авторы исследования прямо указывают, что планеты без континентальной коры могут иметь океаны с неподходящей химией для пребиотических процессов.

Почему Марс считается плохим кандидатом

Марс часто рассматривают как пример планеты, где условия для жизни могли оказаться ограничены именно из-за геологической эволюции.

Хотя в прошлом на Марсе существовали:

• реки;
• озера;
• вероятно, океаны,

планета сравнительно быстро потеряла:

• активную тектонику;
• мощное магнитное поле;
• значительную часть атмосферы.

Кроме того, у Марса отсутствует развитая континентальная кора земного типа.

Это может означать, что химический состав марсианских водоемов сильно отличался от земного.

Континенты могли ускорить химическую эволюцию

Континентальная кора активно участвует в выветривании — процессе разрушения пород водой и атмосферой.

Во время выветривания в океаны поступают:

• фосфор;
• железо;
• калий;
• натрий;
• микроэлементы.

Эти вещества играют важную роль в биохимии живых организмов.

Возможно, формирование континентов обеспечило не только стабилизацию бора, но и общее усложнение химической среды Земли.

Ранняя Земля могла стать пригодной для жизни очень быстро

Некоторые исследования предполагают, что Земля стала потенциально обитаемой уже через несколько сотен миллионов лет после своего формирования.

Это удивительно короткий срок по космическим меркам.

Возраст Земли составляет около 4,54 миллиарда лет, а возможные следы жизни датируются примерно 3,7–3,8 миллиарда лет назад.

Получается, что жизнь могла появиться вскоре после стабилизации поверхности и образования океанов.

Возникновение жизни могло быть крайне редким событием

Новые данные усиливают аргументы в пользу того, что сложное сочетание факторов, необходимое для появления жизни, может встречаться редко.

Необходимо совпадение сразу нескольких условий:

• наличие жидкой воды;
• подходящая температура;
• устойчивый климат;
• правильная химия океанов;
• активная геология;
• существование континентов;
• долговременная стабильность среды.

Даже небольшие отклонения в геологической эволюции планеты могут изменить химические процессы настолько, что жизнь не сможет возникнуть.

Ученые все чаще связывают жизнь с тектоникой плит

За последние годы появляется все больше исследований, указывающих на связь между тектоникой плит и биосферой.

Тектоника:

• перераспределяет химические элементы;
• стабилизирует климат;
• создает новые экологические ниши;
• регулирует углеродный цикл;
• влияет на состав океанов.

Некоторые ученые считают, что именно тектоника плит сделала возможным развитие сложной многоклеточной жизни.

Геология становится частью астробиологии

Еще недавно поиски жизни за пределами Земли концентрировались в основном на атмосферах и воде.

Теперь астробиология все активнее включает в себя геофизику, минералогию и планетологию.

Исследователи начинают рассматривать планеты как сложные взаимосвязанные системы, где внутренние процессы влияют на химическую эволюцию поверхности.

Новое исследование показывает, что происхождение жизни могло зависеть не только от звездного света или океанов, но и от глубинных процессов внутри самой планеты.

Именно медленный рост континентов, происходивший миллиарды лет назад, возможно, создал химические условия, благодаря которым на Земле вообще смогла появиться жизнь.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org