Дълго преди появата на гъстите гори, първите риби или дори на най-простите едноклетъчни организми, Земята е трябвало да премине през мащабна геоложка трансформация. Според ново изследване, публикувано в научното списание Terra Nova, един на пръв поглед чисто физически процес – растежът на континентите – е изиграл решаваща роля за превръщането на планетата в гостоприемно място за живот.
Проучването твърди, че най-ранната континентална кора на Земята е направила нещо повече от това просто да промени релефа на повърхността. Тя е действала като масивен химичен регулатор, извличайки опасно високи нива на елемента бор от древните океани. Този процес е помогнал за създаването на специфични условия, които са благоприятствали химичните реакции, стоящи в основата на зараждането на живота.
Векова еволюция на земните резервоари на бор. Сравнение на концентрациите на бор и видообразуването му за ранната Земя (A) и след появата на пералуминиева континентална кора (B). (ИЗТОЧНИК: Terra Nova)
Деликатният баланс на бора
Идеята се основава на изключително прецизен химичен баланс. Борът отдавна се счита за ключов елемент в пребиотичната химия, тъй като боратните йони помагат за стабилизирането на рибозата. Рибозата е крехка захар, която е основен компонент на РНК (рибонуклеинова киселина) – молекулата, която според много учени е предшествала ДНК в еволюционната история (хипотезата за „РНК свят“).
Проблемът обаче е, че борът е полезен само в определени граници. Твърде малкото количество от него би го направило безполезен за стабилизиране на органичните молекули. Твърде голямото количество пък би тласнало повърхностните води към химични форми, които животът не може да използва.
„Говорим за геоложка система за контрол на химията на земната повърхност,“ обяснява д-р Брендън Дайк, доцент по науки за Земята и околната среда във факултета „Ървинг К. Барбър“ на Университета на Британска Колумбия (UBC Okanagan). „Растежът на континентите не само е преоформил повърхността на Земята, но може би е помогнал за установяването на химичните условия, направили живота възможен на първо място.“
Изследването, водено от Дайк заедно с д-р Джон Уейд от Оксфордския университет, свързва тази фундаментална химична промяна с един минерал, по-известен на хората като скъпоценен камък.
Турмалин-хлоритна и турмалин-биотитова епитаксия. Фазови карти и полярни фигури с еднаква площ в горното полукълбо, показващи ориентациите на хлорит и турмалин от Исуа (A) и биотит и турмалин от Лангтанг (B). (CREDIT: Terra Nova)
Турмалинът: Минерал с планетарна мисия
Въпросният минерал е турмалинът – богат на бор кристал, който изобилства в континенталните скали, особено в богатата на гранит кора. Изследователите твърдят, че при формирането на ранните континенти, турмалинът се е превърнал в дългосрочен „резервоар“ за бор. Той е „заключил“ бора в земната кора, вместо да го остави концентриран в океанската вода.
Това е било от решаващо значение, тъй като в ранната история на Земята движението на бора е следвало пътя на водата. Авторите посочват, че дегазацията на примитивната мантия през първите приблизително 100 милиона години от съществуването на планетата е пренесла огромна част от земния бор в хидросферата. Оттогава неговото движение е тясно свързано с глобалния воден цикъл, включително магмените, хидротермалните и по-късните тектонични процеси.
Днес само малка част от общия бор на Земята се намира в океаните – около 10^{15} килограма. Много по-големи количества се съхраняват в мантията и континенталната кора. Проучването цитира оценки, според които около 30% от бора на планетата в момента е съхранен в континенталната кора, голяма част от него под формата на минерали от групата на турмалина.
Този модерен баланс обаче прикрива факта колко различно е изглеждала планетата в началото. Преди появата на големи обеми континентална кора, образуването на турмалин е било кинетично трудно. Проблемът е бил не само химичен, но и свързан с растежа на кристалите. Експерименталните данни показват, че турмалинът не се образува лесно сам по себе си поради голямата си и сложна кристална структура.
Контактен ъгъл турмалин-биотит. Фотомикрография на контактни ъгли турмалин-биотит (001)-кварц. (ИЗТОЧНИК: Terra Nova)
Как турмалинът намира своята основа
Авторите се фокусират върху минералите биотит и хлорит – част от групата на слюдите, които са често срещани в алуминиево-наситената (пералуминиева) континентална кора. В естествени условия турмалинът често се открива сраснал с тях. Дайк и колегите му изследват дали тези минерали са предоставили повърхността, от която турмалинът се нуждае, за да започне да расте по-лесно.
За целта те анализират проби, обхващащи огромен период от историята на Земята. Единият комплект проби е от хималайски гранити в непалската долина Лангтанг (на около 18 милиона години), а другият е от формацията „Исуа“ в Гренландия, датираща отпреди цели 3,7 милиарда години. Чрез дифракция на обратно разсеяни електрони те откриват повтаряща се структурна връзка между турмалина и слюдите. Това е доказателство за епитаксия – процес, при който един кристал се образува по подреден начин върху повърхността на друг.
Геометрията се оказва ключова. Измерванията сочат, че когато турмалинът се образува върху биотит, активиращата енергия, необходима за началото на кристалния растеж, спада с изумителните 92% до 99% в сравнение със самостоятелното (хомогенно) образуване. Просто казано, турмалинът се формира много по-лесно, когато присъстват правилните континентални минерали.
Карти на микроелементи от метаморфен и магматичен турмалин. LA-ICPMS карти на концентрация на елементи на метаморфни турмалин-биотитови сраствания в хималайски шисти (A, B) и магматичен турмалин от хималайски турмалин-биотитов гранит (C, D). (АВТОР: Terra Nova)
Древният океан преди континентите
Този процес на минерално ниво е част от много по-голяма картина. Проучването предполага, че без значителна континентална кора, ранните повърхностни води на Земята може да са съдържали концентрации на бор до три порядъка (хиляда пъти) по-високи от тези в съвременната морска вода.
При такива нива химията на бора се променя драстично. Вместо боратни йони, във водата биха преобладавали водноразтворими полиборатни йони. Тази разлика е жизненоважна: именно боратите, а не полиборатите, са формата, която стабилизира рибозата. Без този стабилизиращ ефект, захарите биха се разпаднали твърде бързо, за да участват в стъпките, водещи до появата на РНК и по-сложни пребиотични системи.
С разширяването на континенталната кора, сегрегацията на бора в турмалина го изтегля от циркулация. Впоследствие изветрянето на континенталните скали започва да освобождава бора обратно в повърхностните води, но много по-постепенно. С течение на времето това помага за стабилизиране на концентрациите му близо до съвременните нива – около 4,4 микрограма на грам.
Точният момент на тази промяна остава предмет на дискусия. Данни от древни циркони сочат наличието на континентална кора още преди 4,4 милиарда години, но темпото на нейния растеж е несигурно. Цитират се проучвания, според които над 65% от днешния обем на континенталната кора се е формирал преди около 3,0 милиарда години. Следователно предложената промяна не е била единично събитие, а бавно планетарно пребалансиране.
Извън пределите на Земята: Примерът с МарсАнализът разширява традиционната дискусия за обитаемостта на планетите. Една планета може да се намира в „златната среда“ спрямо своята звезда (обитаемата зона), но пак да пропусне важна химична съставка, ако нейната кора не е еволюирала по правилния начин.
Марс е даден като пример в изследването. Тъй като на повърхността му липсва алуминиево-наситена континентална кора, авторите смятат за малко вероятно там да е бил съхранен много бор в турмалин. Това би оставило повече бор в повърхностните води под формата на полиборати, вместо в биодостъпните форми, свързани с химията на живота на Земята.
Логиката се разпростира върху всяка скалиста планета, която преминава през вътрешна диференциация, но никога не развива условията в кората, необходими за регулиране на химичния състав на повърхността си.
Макар изследването да съдържа известни условности – като липсата на абсолютно прецизни данни за общото количество бор на Земята или опростяванията в изчисленията на нуклеацията – централният извод е поразителен. Стартовите условия за живота може да са зависели не само от водата, атмосферата и енергията, но и от бавната поява на континентите, способни да съхраняват и рециклират един специфичен микроелемент в правилната му форма.
Повече за това как геологията диктува биологията може да бъде намерено в пълния текст на изследването в онлайн изданието на Terra Nova.