Цирконы, в отличие от бриллиантов, вечны. Эти кристаллические капсулы времени могут дать нам окно в живительные условия ранней Земли.
Ученые и художники часто представляют первые годы жизни Земли как адский пейзаж, где преобладают вулканы и лавовые поля. Но за пару сотен миллионов лет ландшафт, скорее всего, достаточно остыл, чтобы на его поверхности появилась вода. Возможно, вскоре последовала жизнь.
Фотография Райана Россотто
Как выглядела Земля более 4 миллиардов лет назад? Это было до того, как люди вырезали свои чудеса на камне, до того, как деревья выгравировали времена года в своих кольцах, до того, как тектоника плит изогнула поверхность Земли, обнажив древние слои в растущих горных поясах.
Но у ученых есть некоторые подсказки в виде чрезвычайно прочного минерала, известного как циркон.
Кристаллы циркона практически неразрушимы; некоторым из них до сих пор почти 4,4 миллиарда лет. Они похожи на крошечные капсулы времени, которые сохраняют химические отпечатки этого чрезвычайно раннего времени. «По сути, это наше единственное окно в этапы формирования нашей планеты», - говорит Дастин Трейл из Университета Рочестера.
Расшифровывая эти химические подсказки, ученые постепенно выявляют среду, которая способствовала появлению первых проблесков жизни. Но как именно выглядела поверхность в то время, долгое время оставалось загадкой. Теперь, в новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Трейл и его коллеги разбирают загадку.
Используя химические отпечатки цирконов, команда определила массив отложений, которые, вероятно, присутствовали на ранней Земле, где могли начаться самые древние биохимические реакции.
Спутник ASTER сделал снимок района Джек-Хиллз в Австралии. Это самый древний из обнаруженных фрагментов земной коры, содержащий цирконы, возраст которых составляет почти 4,4 миллиарда лет.
Лучший переработчик
Когда Земля только сформировалась, более 4,5 миллиардов лет назад, ее поверхность вряд ли выглядела так, как сегодня. Ученые часто изображают этот период - метко названный Гадейским в честь Аида, греческого бога подземного мира - как огненный адский пейзаж, подвергающийся постоянным метеоритным атакам, изобилующий вулканами, булькающими лавой на поверхности.
Но все это основано на умозаключениях - не осталось никаких вещественных доказательств первых нескольких сотен миллионов лет существования Земли. «Земля проделала огромную работу, стерев часть этой информации», - говорит Трейл. Наша планета является конечным переработчиком. Тектоника плит постоянно превращает старые породы в новые, а потоки лавы затвердевают, образуя свежие ландшафты.
Кристаллы циркона, однако, настолько прочны, что часто выдерживают интенсивные температуры и давление этого процесса переработки, сохраняя подсказки об окружающей среде, в которой они первоначально образовались. Используя изотопы кислорода циркона, исследователи ранее обнаружили, что жидкая вода покрывала части нашей планеты около 4,3 миллиарда лет назад, предполагая, что поверхность остыла всего через несколько сотен миллионов лет после образования нашей планеты. И только в прошлом году исследователи обнаружили то, что, по их мнению, может быть намеком на раннюю жизнь в виде богатых углеродом включений в цирконах возрастом 4,1 миллиарда лет..
Но помимо этих проблесков, пейзажи на поверхности Земли в то время, включая окружающую среду, которая могла способствовать возникновению этих первых искр жизни, остаются в значительной степени загадкой.
«Если мы сможем начать ограничивать типы материалов, которые существовали в то время, - говорит Трейл, - это, возможно, подтолкнет нас на один шаг ближе к пониманию того, как биохимические реакции или пребиотические реакции могли использовать земную кору. в то время в качестве субстрата».
Химические следы
В поисках ответов Трейл и его коллеги обратились к кремнию и кислороду. Вместе эти элементы составляют примерно 75 процентов горных пород на Земле сегодня, объясняет он. И у обоих есть полезная особенность: они имеют более одного типа или изотопа.
Формирование и трансформация горных пород меняет их изотопный отпечаток. Например, горные породы, образующиеся в результате остывания лавы, имеют совершенно иные характеристики, чем глины, образовавшиеся из выветрившихся пород. И цирконы - сами по себе начинавшиеся как различные типы горных пород и отложений, а затем погребенные глубоко в земле, плавящиеся, а затем кристаллизующиеся - все еще несут в себе признаки этих ранних отложений.
Чтобы провести тонкий анализ кремния и кислорода, содержащихся в цирконах, команда обратилась к ионному микрозонду высокого разрешения в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, который направляет тонкий пучок заряженных атомов на крошечные образцы. и измеряет выброшенные ионы, которые возвращаются обратно.
Для теста они собрали цирконы возрастом чуть старше 4 миллиардов лет - каждый размером около 100 микрон в поперечнике или примерно с ширину человеческого волоса - из района Джек-Хиллз в Западной Австралии. Они сравнили химический состав этих древних минералов с химическим составом более молодых цирконов более точного происхождения в качестве «моста», чтобы помочь интерпретировать различные соотношения изотопов, объясняет Трейл..
Изображение ранней Земли
Более половины протестированных древних цирконов обнаруживают ранние взаимодействия между водой и породой в различных средах.
Некоторые цирконы содержат химические признаки горных пород, выветренных водой с образованием глины. Другие цирконы несут следы растворенных минералов, которые кристаллизуются, образуя камни, такие как кремни или полосы железа в озерах или океанах. Третьи имеют признаки процесса, известного как серпентинизация, названного так из-за своей текстуры и цвета, напоминающих змеиную кожу. В ходе этого процесса вода вступает в реакцию с горными породами, обогащенными железом и магнием, встраиваясь в минеральные структуры.
Самое главное, каждый из этих процессов создает новую нишу в окружающей среде, которая может стимулировать ранние биохимические реакции, проблески ранней жизни.
«Это довольно крутой результат», - говорит Элизабет Белл, геохимик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая не участвовала в работе. Многие из этих процессов в значительной степени неотличимы от одних только изотопов кислорода, отмечает она, называя использование кремния «действительно важным».
Белл руководил работой 2017 года, которая выявила намеки на биосферу в цирконах возрастом 4,1 миллиарда лет. Эти последние результаты подтверждают ее открытия и другие интерпретации ранней Земли. «Все это как бы складывается в красивую картину», - говорит она.
Все вокруг (и внутри) нас когда-то возникло из звездной пыли, и ранние процессы, которые сформировали каждую молекулу, минерал и сложный организм сегодня - от вашего мобильного телефона до еды, которую вы едите, до сердца, бьющегося в вашей груди.. И ученые только начинают выяснять их происхождение.
«Мы находимся в очень интересном месте, - говорит Трейл. «Мы начинаем по-настоящему собирать воедино то, какой была наша планета более 4 миллиардов лет назад. И это довольно захватывающе».