ЗЕМНАЯ МИССИЯ МИНЕРАЛОВ (27)

Продолжу цикл статьей Jeffrey L. Bada 1 и Jun Korenaga «Exposed Areas Above Sea Level on Earth >3.5 Gyr Ago: Implications for Prebiotic and Primitive Biotic Chemistry»; 2018, 8, 55; doi:10.3390/life8040055,

в которой обсуждается — КАКОВЫ БЫЛИ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫЕ МЕСТА НА ЗЕМЛЕ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ И СВЯЗАННЫЕ С ПРОЦЕССАМИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ.

ОТКРЫТЫЕ РАЙОНЫ НАД УРОВНЕМ МОРЯ > 3,5 млрд. лет назад: ПОСЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ПРЕБИОТИЧЕСКОЙ И ПРИМИТИВНОЙ БИОТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

АННОТАЦИЯ

Ответ на вопрос — как началась жизнь на Земле, всё еще в значительной степени окутан тайной. Одна из центральных идей в различных сценариях происхождения жизни - «теплый маленький пруд» Дарвина. В этих небольших водоемах простые пребиотические соединения, такие как аминокислоты, нуклеотиды и т. д., состояли из таких реагентов как цианистый водород и альдегиды/кетоны. Эти простые пребиотические соединения вступали в дальнейшие реакции, производящие более сложные молекулы. Процесс химической эволюции приводил ко все более сложным молекулам, а в конечном итоге дал молекулу со свойствами информационного хранения и репликации, склонной к случайным мутациям, отличительной чертой как источника происхождения жизни и эволюции. Тем не менее, есть одна серьезная проблема с этим сценарием: на Земле > 3,5 млрд. лет назад, вероятно, не было открытой континентальной коры над уровнем моря. Единственные земельные участки которые выступали из океанов, были бы связаны с вулканическими островами, такими как Гавайская островная цепь сегодня. На этих островах, в ассоциации с газами от извержений в сопровождении интенсивных молний, могли возникнуть пребиотические реагенты, которые накапливались в теплых или прохладных маленьких прудах и озерах на склонах вулкана. В ходе сезонных влажно-сухих циклов могли быть получены молекулы с увеличением сложности. Таким образом, эти острова были бы наиболее вероятными местами для химической эволюции и связаны с процессами происхождения жизни. Острова в конечном итоге будут разрушены, и их продукты для химической эволюции были бы выпущены в океаны, где в конечном итоге дарвиновская эволюция вызвала биохимию, связанную со всей жизнью на Земле.

1. ВВЕДЕНИЕ

Хотя Чарльз Дарвин славится своим шедевром “The Origins of the Species” («Происхождение видов») (1859), он также хорошо известен своей концепцией “warm little pond” («теплый маленький пруд») (WLP) и его возможной роли в абиогенезе. Дарвин сначала был пессимистичен к решению вопроса о происхождении жизни, отметив в 3-м издании «Происхождение видов» (1861) “it is mere rubbish thinking, at present of origin of life” («Это просто мусорное мышление, в настоящее время происхождения жизни»). Он никогда не обращался прямо к идее «теплого пруда» в своем официальном опубликованном письме. Тем не менее, он, очевидно, подумал о происхождении жизни. В своем классическом письме 1871 г. своему другу Joseph Dalton Hooker он отметил «Но если бы (и о, какое большое, ЕСЛИ) мы могли забеременеть (conceive) в некотором теплом маленьком пруду». Почти полтора столетия позднее, WLP (также прохладные маленькие пруды) остаются центральной концепцией с уважением к нашему пониманию возможной среды на ранней земле [и в других местах], которые могли быть связаны с пребиотической химией и переходом к примитивной биотической химии. Тем не менее, как недавно отметил Deamer, «так мало достоверных сведений известно о покойной Hadean Era». В этом контексте возникает серьезный вопрос - это в каких количествах и видах были открытые районы над уровнем моря, и какова была их стабильность на Земле > 3,5 млрд. лет назад. Если бы открытые области выше уровня моря были в дефиците, были ли области WLP на ранней Земле? Это критическая проблема, поскольку именно в этот период мы ищем доказательства возникновения жизни на основе микрофоссилий и геохимических ископаемых.

Без открытых континентальных областей, ранние океаны были бы основным резервуаром пребиотических соединений, считающихся вовлеченными в переход от пребиотика к биотической химии. Однако, это представляет загадку. Океанические концентрации соответствующих пребиотических молекул из каких бы источников они ни были, вероятно, низкие. Например, Miller оценил, что в раннем океане максимальная концентрация цианида водорода (HCN), важного реагента в различных пребиотических синтезах, составляла ~ 4 ?M на основании стабильности, возникновения и разрушения HCN во время циркуляции через гидротермальные вентиляционные отверстия. Однако, даже эта устойчивая концентрация HCN может привести к устойчивому состоянию общей аминокислотной концентрации ~ 0,3 mM, гидротермальная вентиляционная циркуляция может быть ограничительным фактором. Тем не менее, неизвестно существовала ли на ранней земле, до начала происхождения современной тектоники, быстрая гидротермальная циркуляция.

Если гидротермальный деструктивный процесс не был таким эффективным, как он есть сегодня, концентрация HCN в океане могла быть выше, возможно, сделав образование пребиотических соединений менее проблематичным.

Падение углеродных метеоритов и связанных с ними органических соединений также могут способствовать внесению пребиотических соединений в ранние океаны. Но выживание внеземных органических молекул, в основном в виде межпланетных пылевых частиц (IDPs - interplanetary dust particles), во время прохода через атмосферу и нагрев, является серьезной проблемой. Как и в случае с пребиотическими соединениями, образовавшимися непосредственно на Земле,

накопление в океане внеземных соединений может быть ограничено гидротермальной циркуляцией, если она существовала.

Ранние “hotspot” («горячие точки») вулканических островов, возможно, были более важными в качестве областей, которые возвышались над уровнем моря. В отличие от магматических срединно-океанических хребтов или дугового магматизма, магматизм в горячих точках не требует работы тектонических плит, и считается, что он обычно представляет основную часть эндогенного магматизма на других земных планетах в Солнечной системе. Скорее всего, вулканические острова, как горячие точки на ранней Земле, с повсеместными вулканическими молниями (вулканическая молния - это электрический разряд, вызванный извержением вулкана, а не обычной грозой. Вулканическая молния возникает в результате столкновения, дробления частиц вулканического пепла (а иногда и льда), которые генерируют статическое электричество внутри вулканического шлейфа), связанными с их извержениями и теплыми прудами

или озерами на склонах вулкана, кажется, являются правдоподобными областями для эффективной пребиотической химии, которая привела к этапу возникновения первой примитивной биотической химии.

Другое важное соображение - химия любых WLP или озер на открытых площадках суши на ранней Земле. Там могут иметь место агрессивные условия (например, слегка кислотный pH, уменьшены содержания металлических ионов и т. д.) Это может ограничить выживание пребиотических соединений. Как указано Saito и др., ранние океаны имели бы высокие концентрации Fe+2 и «наличие следовых металлов было бы похоже на сульфидную систему, Fe > Mn, Ni, Co » Cd, Zn, Cu...». Если химия WLP также отразила эту общую композицию, то эти растворенные компоненты влияют на пребиотический синтез и исходя из этого должен быть рассмотрен пребиотический состав.

2. РАННИЕ ОТКРЫТЫЕ РАЙОНЫ НАД УРОВНЕМ МОРЯ

Для обсуждения открытых земельных участков на ранней Земле мы должны понимать следующие два обстоятельства: (1) область открытой континентальной коры отличается от толщи континентальной коры, и (2) тектоника плит, которая влияет на почти все аспекты современных геологических процессов, включая континентальную кору, возможно, отсутствовала на ранней Земле.

Существует ряд разных моделей для роста континентальной коры, но все они - об истории массы (или объема) континентальной коры, со скудной информацией о том, какая доля континентальной области была над уровнем моря в прошлом. Например, даже если континентальная кора 4 млрд. лет назад была такой же массивной, как современная кора, она могла бы быть вся под водой, если объем

океанов был достаточно больше, чем современный. Действительно, ранняя континентальная кора, вероятно, была погружена в воду, как будет обсуждаться позже. Pearce и др. использовали модель линейного роста для оценки открытой континентальной коры между 4,5 и 3,7 млрд. лет назад, что дает для 3,7 млрд. лет назад значение 12,5% от современной или ~ 20 106 км2. Как уже отмечалось, это, вероятно, является большой переоценкой.

Геологические записи для открытых континентов редки для возраста > 3 млрд. лет. Пространственно обширная экспозиция горизонтов может быть идентифицирована в докембрийской осадочной записи только после ~ 3 млрд. лет, и это согласуется с обильным возникновением подводного выделения базальтовой магмы в Архее и с регистрацией изотопов кислорода в сланцах. Недавнее моделирование континентального надводного участка указывает на то, что тектоника плит приводит к чистому потоку воды из океанов к мантии со

скоростью 3-4,5 х 1014 (на 10 в 14 степени) г/год, и такой положительный чистый приток воды также был предложен для глобального водного цикла. Архейские океаны могли быть по объему в два раза больше, чем нынешние океаны, и даже в соответствии с моделью континентального роста Armstrongа, которая предполагает современную континентальную массу от 3,5 млрд. лет, область появившихся континентов была бы ничтожно мала ~ 3 млрд. лет назад, (РИС. 1).

Знание поверхностной среды в раннем Архее и Hadean остается неуловимым. Хотя океаны, вероятно, существовали 4,4 млрд. лет назад, объем континентов и их открытых площадей трудно оценить. Поскольку процесс движения тектонических плит не гарантируется в период ранней Земли, становится важным рассмотреть вопрос о том, как поверхностная среда подвергалась возможным трансформациям при конвекции мантии. Время такого перехода широко обсуждается; многие геологи предполагают, что движение тектонических плит могло начаться ~ 3 млрд. лет назад, а некоторые предполагают, что геохимия циркона ведет свое начало до > 4,2 млрд. лет назад. Недавнее геохимическое моделирование Sm-Nd Isotope Systems предполагает, что тектоника плит могла начаться вскоре после затвердевания предполагаемой магмы океана. В любом случае тектонический режим перед тектоническим сдвигом плит, вероятно, был в состоянии стагнации для конвекции, так как это самый естественный режим термической конвекции с сильно зависимостью вязкости от температуры. При таком состоянии вулканизм горячей точки,

исходя из плавления мантийных плит, является основной формой магматизма.

Уровень активности магматизма Hotspot в конечном итоге контролируется основным тепловым потоком, часть которого проявляется в виде шлейфа мантии.

В литературе на ранней Земле обычно предполагается, что высокая радиогенная тепловая обстановка в прошлом привела к более высокому теплому потоку.

Тем не менее, связь между производством тепла и тепловым потоком не так проста, потому что эффект плавления мантии, принимаемой во внимание, как более горячей, скорее всего, будет происходить медленнее, а не быстрее. Соотношение между производством тепла и тепловым потоком становится еще более противоречивым, когда в основной тепловой поток вовлечен флюс.

Тепловая история ядра не очень хорошо изучена. Существующие модели основной эволюции неявно предполагают непрерывность движения тектонических плит с начала истории Земли, но эффективность охлаждения коры была бы ниже без тектоники плит. В то же время ранний тепловый поток мог быть выше, чем при стагнации конвекции, если кора изначально была перегрета. Было бы неразумно ожидать, что количество горячих вулканических точек на ранней Земле была похоже на современный уровень (то есть ~ 50).

Даже в океанах вдвое больше по объему, эти острова горячих точек могли быть существенными, потому что, без движения тектонических плит, острова могут продолжать расти из магмы от стационарных мантийных шлейфов, пока они не станут субариальными, после чего субариальная эрозия начинает противодействовать росту (РИС. 2a). Таким образом, до начала тектоники плит, открытые элементы континентов, вероятно, были ограничены теми многочисленными океаническими островами.

Когда началась тектоника плит, континентальная кора начала образовываться в изобилии, хотя большая часть её вероятно, была под водой до ~ 3 млрд. лет назад. Какая-то доля недавно сформированной континентальной коры могла бы существовать над уровнем моря, по крайней мере, временно, из-за утолщения коры, вызванной континент-континент столкновениями. Из-за движения плит, которые не только влияют на поставку магмы, но также активируют оседание в море, время жизни субаэральных вулканов сократилось до современного уровня, то есть ~ 10 млн. лет, хотя и более длительный период жизни (~ 100 млн. лет) также мог быть возможным для вулканов, сформированных на достаточно древнем морском дне (РИС 2b). Это вытекает из следующих двух эффектов. Во-первых, прошедшее движение, скорее всего, было медленнее, чем представляется, и максимальный возраст морского дна мог быть столь же древним, как 400 млн. лет. Во-вторых, с этим более длительным периодом времени для океанических плит становится возможным, чтобы они были термически уравновешены с внутренним тепловым потоком, и дополнительное оседание морского дна будет предотвращено. Медленное движение плит, в сочетании с образованием обильного количества лавы, помогло бы образовать более массивную точку доступа для вулканов на ранней Земле, тем самым увеличивая свой шанс стать субаэралом. В периоды после 3.5 млрд. лет, возможно, были также некоторые ограниченные участки открытой континентальной коры над уровнем моря.

Атмосферная композиция, вероятно, резко отличалась до и после перехода к тектонике плит. Перед переходом атмосфера, скорее всего, была похожа на сегодняшнюю Венеру (100 бар CO2 и температура 100 С). Поглощение углерода началось бы с началом тектоники плит.

Давно образовавшиеся острова во время фазы стагнации подвергались Венеро-подобным атмосферным условиям, в то время как позже они испытали полный спектр атмосферных условий (горячие, плотные, богатые CO2; прохладные,

периодические снижения нейтральных атмосферных условий; и, наконец, давление ~ 1 бар, богатые N2). Только вулканические острова, выступающие над уровнем моря, были бы единственными земельными участками, где WLPs могли существовать на ранней Земле. У Гавайских островов полная открытая поверхность занимает площадь 16 637 км2. Затем предположение о том, что общее количество вулканических островов, доступных на Земле > 3,5 млрд. лет назад, было похоже на присутствующее в настоящее время (~ 50), подразумевает общую открытую площадь поверхности для вулканических островов порядка ~ 8x105 км2 (8 на 10 в 5 степени). Сегодня Азорская вулканическая цепь имеет ~ 0,4% от его общей площади поверхности (2,4х103 км), покрытая озерами или 9,5 км2. Используя это же соотношение во всем мире, можно предположить, что на современных вулканических островах озера должны занимать общую площадь 480 км2 .

***

(продолжение следует)