Тектоника плит: неожиданный ингредиент, необходимый для жизни

От микробов до сумчатых, жизнь переполняет Землю. Но даже если вы избавите планету от всех ее обитателей, Земля все еще будет «живой». Ее расплавленное ядро трудится, вырабатывая магнитное поле, укрывающее планету. Извергающиеся вулканы выплевывают газы и укрывают земли новой свежей лавой. Поверхность Земли представляет собой головоломку из твердых плит размером с континенты, которые толкаются, двигаются и сталкиваются друг с другом — мощные процессы, которые создают горы и меняют ландшафты.

Земля — это не просто сосуд для жизни: сама планета живет. Но ее геологический метаболизм — и особенно динамизм ее тектонических плит — также отвечает и за жизнь обитателей планеты. Если бы планета была холодной, мертвой и инертной, жизни, наверное, вовсе не существовало бы. По крайней мере на современной Земле геология и биология идут рука об руку.

Из всех планет Земля является единственным местом, имеющим тектонику. Также это единственное место, на котором есть жизнь. Но необходима ли тектоника для жизни? Никто не знает наверняка.

Астрономы обнаружили тысячи планет за пределами Солнечной системы; некоторые из них вполне могут быть пригодны для жизни. И тектоника плит может повысить вероятность наличия жизни — особенно если говорить о более сложных организмах. Если инопланетяне действительно существуют, они тоже могли бы жить на активной планете, кипящей геологической активностью, как наша Земля.

Но как показывают космические аппараты, исследующие Солнечную систему, Земля не является уникальным местом, когда речь идет о геологической активности. И хотя ни на Луне, ни на Марсе нет тектоники плит, оба этих мира испытывают «марсотрясения» и «лунотрясения».

Некоторые из спутников Юпитера имеют активные вулканы и гейзеры. Меркурий имеет магнитное поле, а значит по крайней мере часть его ядра расплавлена. Даже Плутон — который когда-то считался мертвым ледяным миром — полон возвышающихся ледяных гор и ледников, по-своему живой и активный.

Тем не менее геологическая активность сама по себе — это не то же самое, что и тектоника плит. Земля — единственная планета в Солнечной системе, внешняя кора которой разбивается на несколько пластин, подобно треснувшей яичной скорлупе. Эти жесткие тектонические плиты толщиной в несколько сотен километров плавают на более податливой мантии под ними.

Другие миры в Солнечной системе имеют древние поверхности, усеянные кратерами возрастом в миллионы или даже миллиарды лет. Но на Земле тектонические плиты смещаются и скользят, постоянно обновляя поверхность. У срединно-океанических хребтов поднимающаяся магма образует новую кору, расталкивая две плиты между собой.

Когда две плиты сталкиваются и давят одна на другую, одна из них может сместиться вниз. Этот процесс субдукции рождает глубокие океанические трещины или вызывает извержение вулканов. Иногда, как в Гималаях, континентальные плиты сталкиваются, а поскольку идти им некуда, остается только воздвигать горы.

Все это необходимо жизни на Земле.

Эти процессы выводят углерод из недр Земли и вводят его обратно, и в процессе этого регулируется уровень диоксида углерода в атмосфере. Двуокись углерода — это парниковый газ: если его будет слишком много, атмосфера будет удерживать слишком много тепла.

«Температура поверхности растет, и Земля постепенно становится планетой по типу Венеры», говорит Джун Коренага, геофизик из Йельского университета в США. Если же газа будет слишком мало, все тепло сбежит и Земля станет неудобно холодной.

Таким образом, углеродный цикл выступает как глобальный термостат, регулирует себя, когда нужно (хоть и не принимает во внимание излишек диоксида углерода, порожденный изменяющими климат действиями человека). Более теплый климат также приводит к большему количеству осадков, которые помогают извлекать еще больше диоксида углерода из атмосферы.

Газ растворяется в каплях дождя, которые падают на голую почву и породы. Химические реакции между дождевой водой и породами высвобождают углерод и минералы вроде кальция из пород. Вода затем стекает в реки и ручьи, достигает океана, и уже там углерод образует карбонатные породы и органические объекты вроде ракушек.

Карбонат оседает на дне океана, на тектонической плите, которая подвергается субдукции и уносит углерод в недра Земли. Вулканы затем отрыгивают углерод обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Через сотни миллионов лет цикл, наконец, завершается.

Тектоника плит играет роль на каждом этапе этого цикла. Не только субдукция увозит углерод обратно в земную мантию, но и тектоническая активность выносит свежие породы на поверхность. Они очень важны для химических реакций, которые выпускают минералы. Горы, образующиеся в процессе тектоники, провожают воздух наверх, где он охлаждается, конденсируется и образует капли дождя — и они помогают извлекать углерод из атмосферы.

И еще есть вулканы. «Тектоника плит помогает поддерживать вулканизм активным в течение длительного времени», говорит Брэд Фоли, геофизик Университета штата Пенсильвания в США. «Если бы у нас не было вулканизма, отправляющего диоксид углерода обратно в атмосферу, тогда планета стала бы очень холодной. Она бы замерзла напрочь».

Поддержание теплого климата необходимо для того, чтобы планета оставалась обитаемой. Но тектоника плит влияет и на другие вещи. Например, было проведено исследование, которое показало, что эрозия и процессы выветривания удаляют такие элементы, как медь, цинк и фосфор, из пород и уносят их в море.

Эти элементы являются важными питательными веществами для организмов вроде планктона. В прошлом они могли быть ответственны за взрывы биоразнообразия, вроде кембрийского взрыва 540 миллионов лет назад. Данные также показывают, что периоды с небольшой эрозией — и меньшим количеством доступных питательных веществ в океане — совпадали с событиями массового вымирания.

Передвигая континенты, тектоника плит могла создавать различные условия, способствующие эволюции. В течение миллионов лет континенты дрейфовали по поверхности Земли, переходя из одной климатической зоны в другую. Без тектоники плит Земля не имела бы своей разнообразной географии с широчайшим диапазоном сред обитания.

Тектоника плит также отвечает за гидротермальные жерла на дне океана. Возле границ плит вода может проникать в трещины, где магма нагревает ее до сотен градусов и выбрасывает, уже горячую, обратно в океан. Гидротермальные жерла или источники, обнаруженные в конце 1970-х годов, являются домом для разнообразных экосистем, и некоторые ученые предполагают, что подобные жерла могли дать начало жизни на Земле.

Постоянное движение плит может также играть определенную роль в магнитном поле Земли. Это поле может действовать в качестве щита, который мешает солнечному ветру сдувать атмосферу — еще один важный ингредиент жизни. Движок, который вырабатывает магнитное поле, это раскаленное ядро расплавленного железа. Турбулентное движение возникает в процессе конвекции, когда горячие жидкости поднимаются, а холодные опускаются. Есть в ядре планеты конвекция или нет — и создает ли она магнитное поле — зависит от скорости остывания планеты.

«Если у вас есть тектоника плит, внешняя оболочка будет остывать быстрее, чем без нее», говорит Питер Дрисколл, геофизик из Института Карнеги в Вашингтоне. Более быстрое охлаждение способствует конвекции и, следовательно, существованию магнитного поля. У Марса и Венеры тектоники плит нет. Жидких ядер, магнитных полей, жизни — тоже.

Да, тектоника плит имеет важное значение для жизни на Земле. Но как насчет внеземной жизни?

Астрономы подсчитали, что в галактике по меньшей мере сто миллиардов звезд. Среди них множество планет размером с Землю, расположенных в потенциально обитаемой зоне своей звезды, где не слишком жарко, но и не слишком холодно, и может существовать жидкая вода. Они нашли такую планету возле Проксимы Центавра, ближайшей звезды к Солнечной системе.

Обитаемая зона и жидкая вода — наиболее важные факторы существования жизни на планете. Но сразу же за ними следует тектоника плит и другие особенности.

«Тектоника плит очень полезна для жизни», говорит Норм Слип, геофизик Стэнфордского университета. Если у планеты есть тектоника плит, говорит он, шансы на обитаемость значительно возрастут.

Конечно, любая беседа на тему обитаемости другой планеты будет спекулятивна по сути. Есть только один известный пример обитаемого мира — и это Земля.

«Тектоника плит имеет важное значение для жизни, которую мы знаем и любим как люди», говорит Линди Элкинс-Тантон, планетолог из Университета штата Аризона. Но «она не является необходимой для жизни в более широком смысле».

На Земле, например, наиболее важная роль тектоники заключается в регуляции углеродного цикла. Но на другой планете тектоника плит может и не поддерживать такой цикл.

Некоторые вулканы вроде тех, которые составляют Гавайские острова, не требуют тектонической активности. «Помимо вулканизма есть и другой способ вывода диоксида углерода в атмосферу», говорит Фоли. «Но вулканизм также создает свежие породы, которые могут выветриваться».

Однако вернуть углерод в недра планеты без субдукции будет тяжеловато. Планета без тектоники плит, застойная планета, заключена в жесткой корке, которая блокирует углерод. Но более глубокие слои коры теплее и мягче. Также они плотнее мантии, поэтому если мантия будет достаточно мягкой, она будет стекать вниз, как патока, сбрасывая углерод в недра, где он снова будет выбрасываться вулканами.

Но даже если углеродный цикл в некоторой форме будет возможен, он не будет вечным, и у планеты будет малое окно обитаемости. Без тектоники плит вулканизм может исчезнуть довольно быстро.

Некоторые ученые говорят, что даже на Земле жизнь могла бы устроиться и без тектоники плит. В 2016 году Крейг О’Нейл, планетолог Университета Маккуори в Сиднее, разработал компьютерные модели, которые предполагают, что у Земли могло не быть тектоники плит в далеком прошлом — даже когда жизнь впервые появилась 4,1 миллиарда лет назад. Если жизнь возникла на Земле в отсутствие тектоники, значит, тектоника может быть необязательным условием.

Но этот вывод будет преждевременным, говорят другие. «Любые мнения о ранней Земле стоит принимать осторожно», говорит Фоли. Разные предположения дают совершенно разные ответы.

В конце концов, ученые сходятся в том, что тектоника плит может помочь жизни обрести существование. Но никто не может сказать точно, будет ли она необходимой. «Мы недостаточно много знаем о тектонике плит, чтобы говорить о ее необходимости для жизни», говорит Элкинс-Тантон. Теория тектоники получила развитие только во второй половине 20 века и до сих пор не разработана до конца для Земли, не говоря уж о других планетах.

Одним из усложняющих факторов на Земле является тесная связь между тектоникой плит и жизнью. «Эти геологические циклы делают Землю более пригодной для жизни», говорит Слип, но биология тоже важна. «Жизни потребовалось четыре миллиарда лет, чтобы развить черты и адаптироваться к жизни на планете с тектоникой плит». Возможно, жизнь на Земле решила полагаться на тектонику просто потому, что эволюция повела ее по такому пути.

Даже если плитотектоника была необходима для жизни, астрономы не могут определить, есть ли тектоника у других планет. Планеты за пределами Солнечной системы слишком далеки, и даже лучшие телескопы могут едва уловить химический состав планетарной атмосферы, что уже хорошо. Но без межзвездных путешествий уточнить наличие тектоники плит будет практически невозможно.

«Мы едва смогли обнаружить ее на нашей планете, а ведь мы стоим прямо на ней», говорит Элкинс-Тантон.

Тектоника плит — лишь один из многих факторов, которые могут влиять на обитаемость. Ученые не могут определить формулу жизни, пока не обнаружат внеземную жизнь. На данный момент Земля остается единственным миром, который действительно живой.

Источник: hi-news.ru