Planeta dotknięta amnezją. Luki z historii Ziemi
W trakcie ewolucji Ziemi warstwy osadów skalnych tworzyły się jedna na drugiej. Każda warstwa reprezentuje osobny okres w historii Ziemi. Dość dawno zauważono jednak, iż w tym zapisie brakuje w wielu miejscach warstw odpowiadających setkom milionów lat geologicznej historii planety. Geologiczne luki w historii Ziemi nazywa się „niezgodnościami”, a największa i najbardziej znana z nich, określana jako Wielka Niezgodność (2), która „kończy się” około 550 milionów lat temu może mieć początek sięgający nawet pół miliarda lat wstecz.
w miejscu zwanym Wielką Niezgodnością.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Zjawisko „niezgodności” polega mówiąc w uproszczeniu na tym, że pomiędzy skałami ulokowanymi powyżej, młodszymi niż skały poniżej, nie zachowują się żadne osady, które powinny powstać w okresie dzielącym dwie odległe od siebie w czasie warstwy.
Brakuje lokalnego zapisu dla określonego przedziału czasowego. Na przykład w Wielkim Kanionie warstwa paleoproterozoicznych tzw. łupków Wisznu, znajduje się bezpośrednio pod kambryjskim piaskowcem Tapeats, mimo że te dwa okresy dzieli setki milionów lat. Nigdzie nie można znaleźć warstw skalnych datowanych na tę lukę. Właśnie to dziwne zjawisko nazywane jest Wielką Niezgodnością i od ponad wieku stanowiło jedną z największych tajemnic w geologii. Luki analogiczne Wielkiej Niezgodności, znajdowano nie tylko w tej słynnej szczelinie, ale w miejscach na całym świecie. Wzór jest taki, że w jednej, młodszej, warstwie mamy okres kambryjski, który rozpoczął się około 540 milionów lat temu i pozostawił po sobie skały osadowe wypełnione skamieniałościami złożonego, wielokomórkowego życia. Bezpośrednio poniżej znajduje się wolna od skamieniałości krystaliczna skała podstawowa, która uformowała się około miliarda lub więcej lat temu. Gdzie więc podziała się cała skała, która znajduje się pomiędzy tymi okresami?
Geologiczne niezgodności, odzwierciedlające długoterminowe zmiany we wzorze akumulacji warstw osadowych lub magmowych, dotyczą nie tylko jednego fragmentu dziejów Ziemi. Na naszej planecie znaleźć ich znacznie więcej, często basenach oceanicznych, takich jak Zatoka Meksykańska lub Morze Północne, ale także w Bangladeszu i w Brazylii, w Górach Skalistych lub Appalachach. W szkockich górach w Siccar Point, w hrabstwie Berwickshire występuje tzw. niezgodność Huttona, wyraźne ścięcie niemal pionowych sylurskich warstw osadowych przez dobrze osadzone zlepieńce i piaskowce należące do górnego starego czerwonego piaskowca pozwoliło odkrywcy na zidentyfikowanie jednej z pierwszych znanych luk w historii geologicznej Ziemi.
Erozja podlodowcowa wymyła osady
Od chwili publikacji w „Proceedings of the National Academy of Sciences” w 2020 r. nowych wyników badań tej ogromnej luki, być może mamy wyjaśnienie lepsze niż poprzednie, ale jak wszystko w tej dziedzinie, zawsze jest to opatrzone mniejszym lub większym znakiem zapytania. Naukowcy powszechnie stawiali wcześniej hipotezę, że Wielka Niezgodność została spowodowana globalnym zdarzeniem erozyjnym podczas fazy ewolucji Ziemi, w której Ziemia była niemal całkowicie zamrożona, pokryta warstwą lodu i śniegu, (Ziemia-śnieżka, ang.„Snowball Earth”), a która miała miejsce dwukrotnie w przedziale czasowym od 715 a 640 mln lat temu (3).
Zdjęcie: commons.wikimedia.org, autorstwa Oleg Kuznetsov
Według tej starszej teorii, w odstępach około miliarda lat, nawet jedna trzecia powierzchni skorupy ziemskiej została zamknięta przez wędrujące lodowce Ziemi-śnieżki, które oddziaływały na powierzchnię planety erozyjnie. Podobnie do tego, co widzimy dziś na Antarktydzie, wiele lodowców Snowball Earth było potężnymi czynnikami erozyjnymi: Nacisk lodu na powierzchnię tworzy mokre podłoże, które może przemieszczać osady, pomimo ekstremalnie niskich temperatur na powierzchni. Powstały osad został wyrzucony do pokrytych błotem oceanów, gdzie został następnie wessany do płaszcza przez napierające na siebie płyty tektoniczne. W efekcie, jak twierdzą naukowcy w „Proceedings of the National Academy of Sciences”, w wielu miejscach Ziemia zakopała dowody około jednej piątej swojej historii geologicznej.
To były jednak jedynie hipotezy, gdyż sam pomysł, że Ziemia była w pewnym okresie swojej historii mroźną „kulą śnieżną” jest wciąż hipotezą, choć trzeba przyznać, że jest coraz częściej akceptowany przez społeczność naukową.
Teorię o gigantycznej erozji potwierdzały znajdowane przez geologów w starych warstwach cyrkonie, charakteryzuję się tym, że utrwalają na miliardy lat stan rzeczy z zamierzchłej przeszłości Ziemi, potwierdzają te hipotezy. Cyrkonie zawierają różne radioaktywne izotopy, pozwalające jak w przypadku uranu, ustalić wiek powstania kryształów z niezwykłą precyzją, inne zaś, takie jak izotopy hafnu, ujawniają, co działo się ze skorupą i płaszczem, ponieważ niektóre izotopy wolą jedno ustawienie geologiczne od drugiego.
Dzięki cyrkoniom wiemy, że w okolicach domniemanego początku Ziemi-śnieżki, nastąpiła kolosalna zmiana geochemiczna na całej planecie, co można wytłumaczyć tym, że duża część skorupy ziemskiej była poddawana recyklingowi do nowych zbiorników magmy. Izotopy tlenu w znalezionych cyrkoniach wskazywały, że skorupa ziemska przeszła niskotemperaturowe zmiany hydrotermalne. Oznaczało to, że górna część skorupy, w kontakcie z wodą i lodem została odcięta i zapadła się. W sumie dowody te sugerują, że na powierzchni miało miejsce gigantyczne wydarzenie erozyjne i warstwa osadów została zmieciona.
Hipotezę erozji pod wpływem mas lodu wspiera fakt, że na powierzchni Ziemi zanikły kratery, który pełno było we wcześniejszym okresie, jako pozostałość po pradziejowych bombardowaniach meteorytowych i kometarnych.
Te kolosalne „przeoranie” skorupy ziemskiej mogło, zdaniem proponujących tę wersję, zbiec się w czasie z poważnymi zmianami geochemicznymi i środowiskowymi, które na kolejnym etapie były potencjalnie korzystne dla ewolucji biologicznej. Wraz z ocieplaniem planety, po lodowcach pozostały płytkie zbiorniki wodne, doskonale nadające się do rozwoju i różnicowania się życia. W kolejnej fazie nadeszła tzw. kambryjska eksplozja życia.
Wszystko składałoby się w świetnie pasujące wyjaśnienie. Jednak nie wszyscy byli zadowoleni z tej wizji. Wspomniane badania z 2020 r. wykazują, że za brakujące warstwy w Wielkiej Niezgodności i w innych podobnych skalnych pozostałościach na całym świecie odpowiadają ruchy tektoniczne. Naukowcy zbadali próbki minerałów i kryształów ze skał w celu określenia historii termicznej warstw skalnych. Ich analiza wykazała, że starsza warstwa skalna uległa erozji jeszcze przed pierwszą fazą Ziemi-śnieżki, co sugeruje, że erozja lodowcowa nie może być odpowiedzialna za Wielką Niezgodność, przynajmniej w tym zapisie warstw skalnych na terenie Kolorado, który badali (Pikes Peak). Badacze ci uważają, że warstwy osadów z ziemskiego zapisu geologicznego zostały wymazane przez procesy tektoniczne związane z formowaniem się i rozpadem Rodinii, superkontynentu istniejącego na Ziemi 5. pod koniec eonu proterozoicznego, ok. miliard lat temu. Rodinia otoczona była wszechoceanem Mirowia. Badania te obalają teorię, że erozja na dużą skalę sprzed około 540 milionów lat mogła zasiać na Ziemi składniki odżywcze i doprowadzić do powstania złożonego życia.
„Naukowcy od dawna postrzegają to jako fundamentalną granicę w historii geologicznej”, mówiła Rebecca Flowers, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk Geologicznych, w wywiadzie dla serwisu „Science Daily”. „W zapisie geologicznym brakuje wielu elementów, ale to, że ich brakuje, nie oznacza, że ta historia jest prosta”.
Tajemnice od bombardowania po szlak Homo sapiens
Dotyczy to oczywiście nie tylko tego fragmentu dziejów planety. Gdy patrzymy głębiej w jej historię, luki w naszej wiedzy dotyczą przede wszystkim dokładnego mechanizmu i przebiegu procesu powstania Ziemi i Układu Słonecznego. Wciąż nie do końca rozumiemy, w jaki sposób powstały planety i gwiazdy. Dalej nie jest znana precyzyjna chronologia i przebieg wydarzeń z okresu tzw. bombardowania późnego, ok. 4 mld lat temu (4). Wiemy, że Ziemia była intensywnie bombardowana przez asteroidy i komety, ale szczegóły tego procesu nie są dobrze znane. Nie mamy też pełnej jasności, jedynie przypuszczenia, jakie było źródło i przyczyna bombardowania.
Zdjęcie: By Tim Bertelink - Own work, CC BY-SA 4.0, commons.wikimedia.org
Wielkimi lukami w naszej wiedzy o historii Ziemi są przyczyny masowych wymierań w h-storii Ziemi. Nie znamy dokładnych przyczyn wymarcia dinozaurów czy innych grup organizmów, choć często wiążemy je z jakimiś wydarzeniami, np. uderzeniem wielkiego obiektu w naszą planetę lub domniemanym wybuchem supernowej w kosmicznej okolicy. Dokładny przebieg i splot przyczynowo skutkowy nie jest jednak wcale dobrze poznany.
Wcale nie wiemy też gdzie na osi czasu mamy umieścić powstanie pierwszego życia na Ziemi. Podajemy w tym raporcie pewne skrajne szacunki (3,95 mld lat temu). Nie są to jednak w dobrze udowodnione fakty a raczej hipotezy, wciąż zresztą przesuwające powstanie życia w przeszłość, aż do epoki, w której trudno sobie nam wyobrazić istnienie żywych organizmów. Nie znamy też mechanizmu wydarzenia (wydarzeń?) pojawienia się życia. Nie wiemy, kiedy i w jaki sposób powstały pierwsze organizmy żywe.
Pomimo pewnych poszlak wcale nie jest znany przebieg kluczowych wydarzeń w okresie wczesnej historii gatunku ludzkiego, np. wyjścia z Afryki, rozprzestrzenienia się po Eurazji, kolonizowania obu Ameryk. Wiele szczegółów ewolucji i migracji pierwszych ludzi jest nieznanych.
Śnieżny glob we mgle
Wielką luką jest wspominany mechanizm powstania domniemanego globalnego zlodowacenia, które doprowadzić miało do fazy Ziemi-śnieżki, o której była mowa przy okazji omawiania luk w warstwach geologicznych. Pierwszym, który zidentyfikował i opisał zjawisko zlodowacenia całego globu, używając terminu „Snowball Earth”, był John Kirschvink. Wykazał on na podstawie pomiarów, że kluczowe dla tej idei osady lodowcowe ery neoproterozoicznej tworzyły się w obszarach okołorównikowych (podzwrotnikowych). Jednak do popularyzacji tego poglądu doprowadził dopiero zespół autorski na czele z Paulem Felixem Hoffmanem w 1998 r. Stworzył on model globalnego zlodowacenia tłumaczący szereg czynników, które miałyby być odpowiedzialne za to niezwykłe zjawisko geologiczne. Zgodnie z ich hipotezą, w prekambrze pojawiła się epoka lodowcowa tak silna, że wszystkie oceany Ziemi zamarzły. Cała planeta została pokryta ponad kilometrową czapą lodu. Jedynie głębie oceaniczne podgrzewane wewnętrznym ciepłem Ziemi pozostały niezamarznięte. Nie było deszczu, śniegu, ani chmur.
Jeżeli równik został pokryty lodem, oznaczało to pokrycie białą czapą całej planety. Podstawą tego rozumowania był fakt, że wzrost ilości lodu podwyższa albedo powierzchni planety. Biały lód odbija znacznie więcej ogrzewającego planetę światła słonecznego niż woda lub ziemia. Jeżeli lodu zaczyna przybywać, to Ziemia odbija coraz więcej ciepła w kosmos i lodu przybywa jeszcze więcej - pojawia się dodatnie sprzężenie zwrotne. Wyliczono, że przekroczenie przez lodowce równoleżnika 30 stopni na obu półkulach lub 20 na jednej półkuli oznacza nieodwracalnie zamrożenie całej planety. W takiej sytuacji bowiem ilość energii absorbowanej jest już mniejsza od odbijanej przez czapę lodową. Pomiędzy okresami całkowitego zamarznięcia powierzchni Ziemi pojawiały się ograniczone w zasięgu, krótkotrwałe okresy ocieplenia (interglacjały), ale nie doprowadzały one do wycofania się lodowców poza granicę 30. stopnia szerokości geograficznej.
Hipoteza Ziemi-śnieżki wywołała ogromne kontrowersje. Niewyobrażalne wydawało się zamarznięcie całej planety. Na dodatek wiadomo, że przed epoką lodu i po niej istniało życie. Co więcej, niedługo po stopieniu lodu, na Ziemi miała miejsce tzw. eksplozja kambryjska. Planetę zasiedliła niezliczona liczba nowych organizmów wielokomórkowych, które pozostawiły ogromną ilość skamieniałości. Wszystkie te argumenty przemawiały przeciw hipotezie Ziemi śnieżki.
Naukowcy powszechnie zgadzają się, że ważnym czynnikiem określającym temperaturę na Ziemi jest ilość dwutlenku węgla w atmosferze. Wzrost poziomu CO2 powoduje wzrost średnich temperatur na całej planecie. Zjawisko to nosi nazwę efektu cieplarnianego. W sytuacji ubytku gazów cieplarnianych cała planeta może się znacznie oziębić. Być może erozja krzemianów może doprowadzić do szybszego niż zwykle wiązania dwutlenku węgla w glebie. Dodatkowo 750 mln lat temu na Ziemi istniały już zdolne do fotosyntezy bakterie. One również są w stanie wiązać CO2, produkując związki organiczne. Nagły wzrost aktywności takich organizmów oraz pochłaniania gazów cieplarnianych przez glebę mógł spowodować tak silny spadek sprawności efektu cieplarnianego, że średnie temperatury na całej planecie znacznie się obniżyły. Powstający lód spowodował jeszcze większe obniżenie temperatury i w końcu cała Ziemia zamarzła. Podczas gdy w czasie ostatnich epok lodowych temp. obniżała się o ok. 3…12°C, to po zamarznięciu całej planety jej średnia temperatura mogła wynosić nawet –50°C.
Dokładniejsze analizy wykazały, że zamrożenie całej planety ma pewne dodatkowe skutki. Wytwarzany dziś dwutlenek węgla rozpuszcza się w ogromnych ilościach w oceanach, gdzie pochłaniają go glony. Jednak pokrycie oceanów lodem zablokowało kontakt atmosfery z hydrosferą. Każda ilość CO2 wyrzucona do atmosfery musiała tam pozostać. Na lądach lód zalegał w jeszcze większych ilościach niż w wodzie i prawdopodobnie całkowicie zasłonił cały grunt. Reakcja skał z dwutlenkiem węgla stała się całkowicie niemożliwa. Przez wiele tysięcy lat cały dwutlenek węgla wyrzucany co jakiś czas przez wulkany pozostawał w atmosferze. Efekt cieplarniany stał się tak silny, że okowy lodu puściły. Jeżeli niewielki fragment oceanu uwolnił się od białej pokrywy, to zaczął przyjmować coraz więcej słonecznego ciepła. Pojawiło się dodatnie sprzężenie zwrotne, które w bardzo krótkim (w skali geologicznej) czasie - rzędu jednego tysiąca lat - mogło uwolnić całą planetę od lodu. Rozumowanie to jednak wcale nie wyjaśnia długości trwania epoki lodowej oraz występowania okresów ocieplenia - interglacjałów.
Jeżeli lód pokrył całą planetę, a na powierzchni zapanowały niespotykane mrozy, uniemożliwiłoby to trwanie życia. Niemniej według hipotezy Ziemi śnieżki nie cała biosfera uległa zamrożeniu. Bez przeszkód mogły funkcjonować ekosystemy kominów geotermalnych na dnie oceanów. Badania podmorskich grzbietów ujawniły istnienie tam potężnych źródeł gorącej i bardzo zanieczyszczonej wody. Jej źródłem są procesy wulkaniczne. Woda jest gorąca i zawiera wiele związków siarki oraz żelaza.
W okolicach kominów geotermalnych rozwijają się bogate ekosystemy, które są oazami tętniącymi życiem. Związki siarki, żelaza i inne substancje mineralne są wykorzystywane przez liczne organizmy prokariotyczne - bakterie i archeony - zdolne do czerpania energii potrzebnej do procesów metabolicznych podczas ich przetwarzania. Prokarionty są zjadane przez inne organizmy i tak powstaje cały łańcuch pokarmowy, na którego szczycie obecnie znajdują zwierzęta, w tym krewetki i ryby. Szczególną cechą tych ekosystemów jest duża niezależność od światła Słońca. Tylko wyższe poziomy potrzebują tlenu do oddychania, a w czasach przed wyewoluowaniem skorupiaków i kręgowców na szczycie piramid troficznych mogły znajdować się organizmy beztlenowe. Pokrycie oceanów lodem dla organizmów żyjących wokół kominów hydrotermalnych byłoby niezauważalne, więc jest to miejsce, w którym na Ziemi śnieżce mogłoby się rozwijać życie. Problem w tym, że kominy hydrotermalne związane są z grzbietami śródoceanicznymi, a nie wiadomo, czy te struktury istniały wtedy na Ziemi.
Kominy geotermalne nie są środowiskiem, w którym mogłyby przetrwać organizmy zdolne do fotosyntezy. Zapisy kopalne wyraźnie pokazują, że przed okresem Ziemi śnieżki oraz potem istniały formy bakterii zdolnych do fotosyntezy. Oznacza to, że jakoś musiały przetrwać okres zamrożenia oceanów, w których żyją. Odpowiedzią okazały się badania współczesnych lodowców szelfowych. Odnaleziono glony zdolne do przetrwania pod bardzo grubą taflą lodu. Lód jest bardzo przenikliwy dla światła. Z drugiej strony jego grubość na równiku nie była większa niż kilometr. Obserwacje współczesnych glonów wykazały, że byłyby one w stanie przeżyć w takich warunkach.
Zwolennicy teorii Ziemi śnieżki zauważyli, że zakończenie okresu zlodowacenia miało miejsce kilka milionów lat przed kambryjską eksplozją życia. Sugerują, że zamrożenie planety mogło być czynnikiem zwiększającym presję ewolucyjną, co zwiększyło tempo rozwoju prymitywnych organizmów. Z drugiej strony po zakończeniu epoki lodu warunki stały się bardzo cieplarniane, co pozwoliło na rozwój ogromnej różnorodności żywych organizmów obserwowanej kilka milionów lat później w osadach.
Istnieją hipotezy, które sugerują, że już wcześniej, 2,3 mld lat temu, nasza planeta przeszła pierwszy okres Ziemi-śnieżki. W tym okresie powstały pierwsze cyjanobakterie zdolne do fotosyntezy. Wytworzony przez nie tlen spowodował rozkład zawartego w atmosferze metanu. Gaz ten jest dużo lepszym czynnikiem powodującym efekt cieplarniany niż dwutlenek węgla. Jednocześnie astrofizycy uważają, że 2,3 mld lat temu Słońce było trochę zimniejsze i dostarczało Ziemi mniej energii. Niestety, z tego okresu dotrwało do naszych czasów niewiele osadów i trudno jest jednoznacznie potwierdzić lub zaprzeczyć istnieniu Ziemi śnieżki 2,3 mld lat temu.
Naukowcy próbowali wyjaśnić obecność lodu na równiku na kilka innych sposobów. np. tak, że w tym okresie kąt pomiędzy płaszczyzną równika oraz płaszczyzną orbity był większy (być może wynosił nawet 54°), co powodowało nierównomierne nagrzewanie planety. Inna hipoteza głosi, że biegun geomagnetyczny Ziemi, znajdował się w większej odległości od osi obrotu planety, niż dzisiaj. Położenie lądów z tego okresu wyznacza się na podstawie zapisanych w skałach linii pola magnetycznego. Badania geologiczne potwierdzają, że osady formowały się daleko od ówczesnego bieguna geomagnetycznego, ale możliwe, że znajdowały się blisko prawdziwego bieguna geograficznego Ziemi.
Jak powstał nasz dom?
Ostatecznie nie wiemy dokładnie, w jaki sposób uformowała się Ziemia. Naukowcy wciąż nie mają dokładnej teorii ani modelu formowania się naszej planety i innych planet (czy w ogóle jest tylko jeden model). Obecnie walczą (a może się uzupełniają?) dwa modele. Pierwszy i najszerzej akceptowany, mówiący akrecji jądra, sprawdza się w przypadku formowania się planet skalistych takich jak Ziemia, ale ma kłopoty z planetami dużymi. Drugi, oparty na niestabilności dysku, może odpowiadać za powstanie największych planet. Dochodzą teorie „komplikujące”, jak np. opublikowane kilka lat temu w czasopiśmie „Science Advances American Association for the Advancement of Science”, badania sugerujące, że wiele oryginalnych planetarnych elementów naszego Układu Słonecznego mogło w rzeczywistości zacząć funkcjonować nie jako obiekty skaliste, ale jako gigantyczne kule ciepłego błota.
Chociaż populacja komet i asteroid przechodzących przez wewnętrzny Układ Słoneczny jest dziś niewielka, były one bardziej obfite, gdy planety i Słońce były młode. Zderzenia z tymi lodowymi ciałami prawdopodobnie zdeponowały na powierzchni Ziemi znaczną część jej wody. Planeta nasza znajduje się w strefie Złotowłosej, czyli w regionie, w którym woda może pozostać w stanie ciekłym, co zdaniem wielu naukowców odgrywa kluczową rolę w rozwoju życia.
Z jednej strony obowiązuje coś w rodzaju głównego nurtu przekonań naukowych na temat powstania i wczesnego okresu w historii Ziemi. Z drugiej mnóstwo jest zagadek, konkurujących hipotez i nowych koncepcji, dawniej nie branych pod uwagę. Należy do nich popularna dziś hipoteza zakładająca, że miliardy lat temu w wewnętrznym Układzie Słonecznym istniał obiekt wielkości Marsa, nazywany Theia, umiejscowiony tuż przy orbitalnym szlaku protoplanety, z której ukształtowała się ostatecznie Ziemia. Gdy doszło do kolizji Thei z obiektem, którego być może nie należy jeszcze nazywać Ziemią, w przestrzeń kosmiczną wyrzucone zostało mnóstwo materiału, z którego później powstała Ziemia i Księżyc. Co zaś stało się z Theią, tego nie określa się dokładnie.
Obecnie astronomowie z Harvardu przypuszczają, że takie kosmiczne katastrofy skutkują bardziej widowiskowymi efektami. Naukowcy stworzyli model komputerowy obrazujący zderzenie dwóch dużych i gorących obiektów o podobnej masie obrotowej. Stwierdzili, że najbardziej gwałtowne z takich kolizji wytworzyłyby synestię - osobliwe halo gazowe powstałe z rozpuszczonych skał, wirujących wokół płynnego rdzenia. Nowo powstały obiekt, żyjący jedynie przez paręset lat, miałby znacznie większą objętość niż obiekty, które się zderzyły. Nie byłoby na nim ani cieczy, ani obiektów stałych. Zespół uważa również, że po około stuleciu trwania w tej formie synestia traci tyle ciepła, że z powrotem zastyga do skalistej postaci. Część skał synestii znalazłaby się na orbicie zestalonego ponownie obiektu, dając początek Księżycowi. Autorzy przypuszczają, że większość obecnych planet była początkowo synestiami. Model ten wywołał mieszane reakcje w szeregach planetologów, z których wielu zachowuje sceptycyzm wobec tej teorii.
Innym, bardziej akceptowanym scenariuszem, który miał i ma nadal duże znaczenie dla losów Ziemi jest teoria migracji Jowisza. Według wyliczeń Francesco DeMeo, naukowca z amerykańskiego Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Jowisz w przeszłości znajdował się tak blisko Słońca jak obecnie Mars. Następnie, podczas migracji ku swojej obecnej orbicie, Jowisz zniszczył prawie w całości Pas Planetoid - pozostało w nim do dziś jedynie 0,1 proc. populacji asteroid. Z drugiej strony, ta migracja wyekspediowała mniejsze obiekty do krańców Układu Słonecznego, co miało potem duże znaczenie dla „spokoju” naszej planety, jednak na wczesnym jednak etapie mogło to doprowadzić do silnego bombardowania dostarczającego wczesnej Ziemi dużo ważnych dla dalszego rozwoju wypadków substancji, przede wszystkim wodę.
Do roli Jowisza, ale nie tylko jego nawiązuje zdobywający w ostatnich latach popularność dwuetapowy model formowania się Ziemi nazywamy modelem pojawienia się biopierwiastków (ABEL), który przedstawia nieco inną opowieść o wczesnej Ziemi niż ta, do której przez dekady nas przyzwyczajano. Co nie znaczy, że różni się od innych teorii radykalnie, bo nie tyle wprowadza nowe elementy co reinterpretuje istniejące. Dwie wcześniejsze teorie powstania Ziemi naukowcy zakładały, że oceany powstały w wyniku ucieczki pary wodnej i innych gazów z atmosfery.
Kiedy powierzchnia Ziemi ochłodziła się do temperatury poniżej punktu wrzenia wody, w wyniku opadów deszczu woda spływała do wielkich zagłębień w powierzchni Ziemi, tworzyły się oceany. Grawitacja uniemożliwiła wodzie opuszczenie Ziemi. Model ABEL zakłada, że Ziemia narodziła się jako sucha planeta bez atmosfery i składników oceanicznych 4,56 mld lata temu, zaś potem dopiero nastąpiła wtórna akrecja biopierwiastków, takich jak węgiel (C), wodór (H), tlen (O) i azot (N), która osiągnęła szczyt w 4,37…4,20 mld lat temu. Przyjmuje się zarazem założenie, że ziemska woda pochodzi głównie z węglowego materiału chondrytowego, co wynika z proporcji izotopów wodoru.
Gdyby bombardowanie ABEL nie miało miejsca, życie nigdy nie powstałoby na Ziemi, twierdzą zwolennicy tej hipotezy. Ponadto z powodu wstrzykiwania lotnych substancji do początkowej suchej Ziemi wyzwoliło przejście Ziemi od litej pokrywy do tektoniki płyt co również miało przełomowe znaczenie. Dlatego też jest jednym z najważniejszych dla naszej planety wydarzeń. Uważa się, że bombardowanie ABEL miało miejsce w okresie 4,37…4,20 mld lat temu.
Przez długi czas uważano, że formowanie się oceanu i atmosfery jest równoczesne z pierwotną akrecją Ziemi. Jednak rachunek ilości wody, także przy założeniu zderzenia z Theią i formowaniem Księżyca, nie bardzo się zgadzał. Model ABEL może przezwyciężyć te trudności, starając się wyjaśnić dostawę wody i lotnych substancji potrzebnych do zapoczątkowania prebiotycznej ewolucji chemicznej, która w dalszej konsekwencji doprowadziła do powstania życia na Ziemi, dzięki mieszaniu się materiału redukcyjnego i utleniającego podczas teoretycznego wczesnego bombardowania.
Nastąpić miało ponad 200 milionów lat później niż etap T-tauri (dopiero co powstałego Słońca), dlatego uważa się, że to wydarzenie nie jest związane z główną częścią procesu formowania się planet. Jeśli tak, to powinien istnieć inny czynnik wyzwalający bombardowanie ABEL. Jeden z możliwych scenariuszy jest następujący: trzy gazowe giganty - Jowisz, Saturn i hipotetyczna planeta „czarna owca” zostały uformowane jako pierwsze. Grawitacyjne interakcje wyrzuciły „czarną owcę”, która być może znajduje się obecnie w Pasie Kuipera a może została całkiem wypchnięta z Układu Słonecznego.
To dramatyczne wydarzenie doprowadzić mogło do ciężkiego bombardowania suchej i pozbawionej atmosfery Ziemi, która właśnie nieco ostygła po pierwszym etapie formowania. Lodowe asteroidy złożone z węglowych chondrytów uderzały w Ziemię, kierowane z zewnętrznej części pasa asteroid w wyniku grawitacyjnego oddziaływania Jowisza, Saturna i zaginionej dużej planety. To one dostarczyły budulec dla atmosfery i oceanu na suchą Ziemię. Mieszanie się materiału redukcyjnego z utleniającym zapoczątkowało reakcje chemiczne, która stały pierwszym bodźcem do powstania życia na Ziemi. Dodatkowo, bombardowanie ABEL, w ramach której uderzać miały w pierwotną Ziemię obiekty o średnicy nawet tysiąca kilometrów, umożliwiło przejście od zastygłej tektoniki pokrywowej do tektoniki płyt.
Woda z importu czy własna?
W tym czy w innych modelach zakłada się, że pierwotna dostawa wody na Ziemię wiązała się z uderzeniami takich obiektów jak np. komety. Mamy jednak dane, które zdają się przeczyć teorii, że dostawa wody na Ziemię pochodzi właśnie z nich. Według wyników badań przeprowadzonych za pomocą sondy Rosetta, woda na komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko (5) na inny skład izotopowy niż ta, która znajduje się w ziemskich zbiornikach wodnych. Oznaczać to może w praktyce, że ziemska woda nie pochodzi komet, a przynajmniej nie z komet takiego typu jak 67P.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Są inne wyniki, wykazujące, że przynajmniej połowa wody, która jest obecnie na planecie Ziemia powstała zanim powstała nasza gwiazda. Dla naukowców, którzy napisali o tym w magazynie „Science”, nie jest jasne jednak, czy woda pochodzi z chmury będącej fazą zalążkową Układu Słonecznego, czy w ogóle przybyła z zewnątrz. Skąd uczeni wiedzą, jak stara jest woda? Zbadano jej wiek za pomocą analizy stosunku izotopu deuteru w atomach wodoru. Woda powstająca w określonych warunkach różni się jego zawartością od wody formującej się w innych. np. zawartość deuteru w wodzie powstałej w warunkach międzygwiezdnych jest relatywnie wysoka.
Geolodzy z University of Saskatchewan w Kanadzie posłużyli się zaawansowaną symulacją, za pomocą której obliczyli, że wielkie ilości wody mogą powstawać nie gdzieś w komosie ale we wnętrzu Ziemi dzięki reakcjom chemicznym zachodzącym na głębokości nawet tysiąca kilometrów. Woda powstaje tam w temperaturze około 1400°C i pod ciśnieniem 20 tysięcy razy większym od atmosferycznego.
Trzy atmosfery Ziemi
Pochodzenie wody na Ziemi nie jest więc wcale jasne. A co z atmosferą? Uważa się, że nieostygła jeszcze kula magmy wydzielała gazy takie jak azot, wodór, węgiel i tlen, tworząc najstarszą znaną wersję atmosfery. „Stwierdziliśmy, że atmosfera, którą według naszych obliczeń była obecna na Ziemi miliardy lat temu, miała podobny skład do tego, co znajdujemy dziś na Wenus i Marsie”, pisał Paolo Sossi z ETH w Zurichu, współautor pracy na ten temat opublikowanej w czasopiśmie „Science Advances” w 2021 r.
Mówi się, że Ziemia miała w swojej historii trzy atmosfery. Pierwsza atmosfera, przechwycona być może z mgławicy słonecznej, składała się z lekkich pierwiastków z mgławicy słonecznej, głównie wodoru i helu. Działanie wiatru słonecznego i ciepła Ziemi wyparło tę atmosferę. Po zderzeniu, które stworzyło Księżyc, stopiona Ziemia uwolniła lotne gazy; a później więcej gazów zostało uwolnionych przez wulkany, uzupełniając drugą atmosferę bogatą w gazy cieplarniane, ale ubogą w tlen. Wreszcie trzecia atmosfera, bogata w tlen, pojawiła się, gdy bakterie zaczęły produkować tlen około 2,8 mld lat temu.
W rejonie wzgórz Jack Hills w Australii już wiele lat temu znajdowano ślady cyrkonu świadczące tym, że Ziemia, przynajmniej jej część, musiała się schłodzić i skrystalizować w formę stałą już 4,4 mld lat temu. W dodatku poziom tlenu w tamtejszych skałach sugeruje, że klimat był wówczas na tyle łagodny, że pozwalał na istnienie wody w stanie ciekłym.
Jednak według naszej obecnej wiedzy (publikacje w „Nature” w ostatnich latach), najwcześniejsze formy życia pojawiły się znacznie później, co najmniej 3,95 miliarda lat temu, w czasie, gdy trwał intensywny nalot komet i asteroid. Kiedy japońscy badacze w tym badaniu, pod kierunkiem geologa Tsuyoshi Komiya z Uniwersytetu w Tokio, zbadali próbki skał z Kanady, zauważyli ślady życia w postaci biogenicznie modyfikowanej skały grafitowej. Te wyniki zresztą są dla wielu zbyt kontrowersyjne - inni eksperci wątpią w ich datowanie. Ogólnie jednak w ostatnich latach rośnie grono badaczy spychających początki życia do czasów kiedy naukowcy kiedyś uważali Ziemię za niezdatną do zamieszkania.
Z czasów, gdy nasza planeta powstała około 4,5 miliarda lat temu na powierzchni praktycznie nie ma żadnych śladów skalnych. Być może są ukryte we wnętrzu planety, podobnie jak fragmenty tajemniczej Thei, w pewnym sensie naszej współmatki. To co udaje się znaleźć z tych najstarszych pozostałości prawie zawsze prowadzi do zamieszania w ustalonej wiedzy. np. wspomniane mikroskopijne minerały wydobyte w 2020 r. ze starożytnej odkrywki Jack Hills, w Zachodniej Australii, wydają się nosić ślady ziemskiego pola magnetycznego sięgającego aż 4,2 miliarda lat wstecz, czyli miliard lat wcześniej, niż zakładano. Może to sugerować, że pole magnetyczne ziemi istnieje praktycznie od samego początku istnienia naszej planety.
Pole magnetyczne odgrywa ważną rolę w przydatności naszej planety do życia. Jest kolejnym, po ciekłej wodzie, atmosferze, kluczowym warunkiem istnienia form biologicznych, działa bowiem jako swego rodzaju tarcza, odchylająca zabójczy, wiatr słoneczny, który mógłby zniszczyć atmosferę. Dawniej uważano, że pole magnetyczne Ziemi istniało co najmniej 3,5 miliarda lat temu. Jednocześnie uważa się, że jądro planety zaczęło krzepnąć zaledwie miliard lat temu, co oznacza, że pole magnetyczne musiało być napędzane wcześniej przez jakiś inny mechanizm. Nie wiadomo jednak dokładnie jaki.
Zakładając więc, że wszystkie te elementy, energię, wodę w stanie ciekłym, atmosferę (beztlenową, ale dziś wiemy, że nie każdemu życiu tlen jest potrzebny) i w końcu ochronne pole magnetyczne, istniały już bardzo wcześnie w dziejach Ziemi, przestajemy się dziwić, że naukowcy znajdują coraz starsze ślady wskazujące na istnienie życia na naszej planecie.
A co jeśli życie nie powstało na Ziemi?
Od dawna podejrzewano, że przynajmniej część elementów, które przyczyniły się do powstania życia na Ziemi, mogła dotrzeć na naszą planetę wraz z odłamkami kosmicznych skał. Od niedawna mamy kolejne dane sprzyjające tej teorii. Europejska Agencja Kosmiczna ogłosiła, że sonda Rosetta odkryła w komie (ogonie) komety 67P - Czuriumow-Gierasimienko kilka z tak zwanych „budulców życia”, a w tym fosfor oraz jeden z aminokwasów - glicynę. Oznacza to, że kolizje tego typu obiektów z Ziemią mogły doprowadzić do zwiększenia stężenia substancji, dzięki którym powstały pierwsze organizmy.
Wcześniej, jeszcze w 2006 roku NASA wykryła glicynę w próbkach pochodzących z ogona komety Wild 2, jednak ich analiza była utrudniona, gdyż podejrzewano, że zostały zanieczyszczone na Ziemi. Naukowcy uważają ostatnie wieści za niezwykle ważne, ponieważ tym przypadku możemy być pewni, że mamy do czynienia z czystymi próbkami.
Glicyna to powszechny składnik białek, natomiast fosfor jest kluczowym elementem budującym DNA. Co ciekawe, nie są to jedyne substancje potrzebne do powstania życia, które odnaleziono na komecie - pozostałe to cyjanowodór i siarkowodór. Według opublikowanego w magazynie „Science” raportu zespołu badawczego pracującego przy misji sondy Rosetta, instrument do badania składu chemicznego COSAC, wykrył w pyle unoszącym się nad powierzchnią związki alkoholowe, karbonylowe, amidowe, nitrylowe oraz izocyjaniany. Niektóre z nich, jak np. aceton, acetamid, izocyjanian metylowy, nigdy wcześniej nie zostały zaobserwowane na kometach.
Wymienione związki organiczne mogą być podstawą do powstawania bardziej złożonych struktur, takich jak cukry, aminokwasy i nawet podstawy DNA, ale żadnych tego rodzaju cząsteczek nie wykryto w sposób jednoznaczny.
Specjaliści z Uniwersytetu Edynburskiego przypuszczają, że żywe organizmy mogły zostać przeniesione na Ziemię wraz ze strumieniami pyłu kosmicznego. Informację o tej hipotezie podała strona phys. org. Naukowcy uważają, że mocne strumienie pyłu kosmicznego przemieszczające się z prędkością do 70 km/s są w stanie przenosić najmniejsze żywe organizmy. Eksperci między innymi twierdzą, że pył kosmiczny ciągle bombardujący atmosferę Ziemi może wyprzeć poza ziemskie pole grawitacyjne drobne cząsteczki znajdujące się na wysokości 150 km lub więcej nad powierzchnią i w końcu dosięgną innych planet.
Badacze twierdzą, że podobna sytuacja może mieć miejsce na innych planetach, a więc żywe organizmy mogą trafić z jednego ciała niebieskiego na drugie. Jednocześnie specjaliści podkreślają, że niektóre żywe istoty, w tym bakterie, rośliny, mikroskopijne bezkręgowce niesporczaki (6) są w stanie przetrwać tylko w warunkach otwartej przestrzeni kosmicznej, co potwierdzałoby hipotezy ekspertów.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Teoria panspermii, siania życia na Ziemi z kosmosu, jest już stosunkowo stara. Obecnie nie brzmi już tak sensacyjnie jak sto lat temu. Współczesna zmiana w myśleniu o niej polega głównie na tym, że powiększyła się znacznie nasza wiedza o ciałach Układu Słonecznego. Dopuszczamy obecnie możliwość istnienia życia w wielu miejscach, które kiedyś uważaliśmy za martwe i wręcz wrogie życiu. Nie rozwiązujemy w tym ujęciu kwestii - jak powstało życie - lecz raczej przenosimy ją na inny szerszy plan kosmiczny. Nie oznacza to jednak, że przestajemy mieć tu lukę w wiedzy.
Mirosław Usidus
