Первый эон в истории Земли, Катархей, начинается с формирования Земли и продолжается до архейского эона 3,8 млрд лет назад.[2]:145 Древнейшиe найденные на Земле породы датируются примерно 4,0 млрд лет, а самый старый обломочный кристалл циркона в скале около 4,4 млрд лет,[38][39][40] вскоре после образования земной коры и самой Земли. Гипотеза гигантского столкновения для формирования Луны гласит, что вскоре после формирования начальной коры, прото-Земля столкнулась с меньшей протопланетой, в результате чего в космос была выброшена часть мантии и коры и создалась Луна.[41][42][43]
Используя метод подсчета кратеров (англ.) на других небесных телах можно сделать вывод, что период интенсивного воздействия метеоритов, называемый поздней тяжелой бомбардировкой, был около 4,1 млрд лет назад, и закончился около 3,8 млрд лет назад, в конце Катархея.[44] Кроме того, был сильный вулканизм в связи с большим потоком тепла и геотермальным градиентом.[45] Тем не менее, изучение обломочных кристаллов циркона возрастом 4,4 млрд лет показало, что они подверглись контакту с жидкой водой, и предполагается, что планета уже имела океаны и моря в то время.[38]
К началу архея, Земля сильно охладилась. Большинство современных форм жизни не смогли бы выжить в первичной атмосфере, в которой не хватало кислорода и озонового слоя. Тем не менее считается, что изначальная жизнь стала развиваться в начале архея, с кандидатом в окаменелости датирующимся около 3,5 млрд лет.[46] Некоторые ученые даже полагают, что жизнь могла начаться в начале Катархея, ещё 4,4 млрд лет назад, возможно сохранившись в поздний период тяжелой бомбардировки в гидротермальных источниках под поверхностью Земли.[47]
Появление Луны[править | править вики-текст]
Столкновение Земли с планетой Тейя в представлении художника.
Основные статьи: Луна, Теория гигантского столкновения
Относительно большой природный спутник Земли, Луна, больше по отношению к своей планете, чем любой другой спутник в Солнечной системе.[nb 1] Во время программы Apollo, с поверхности Луны были доставлены на Землю горные породы. Радиометрическая датировка этих пород показал, что Луне 4,53 ± 0,01 миллиарда лет,[50] и возникла она по крайней мере через 30 миллионов лет после того, как Солнечная система была сформирована.[51] Новые данные свидетельствуют о том, что Луна сформировалась ещё позже, 4.48 ± 0.02 млрд лет назад, или спустя 70-110 миллионов лет после возникновения солнечной системы.[52]
Теории формирования Луны должны объяснить её позднее формирование, а также следующие факты. Во-первых, Луна имеет низкую плотность (в 3,3 раза больше, чем вода, по сравнению с 5,5 Земли[53]) и небольшое металлическое ядро. Во-вторых, на Луне практически нет воды или других летучих веществ. В-третьих, Земля и Луна имеют одинаковые изотопные подписи (англ.) кислорода (относительное содержание изотопов кислорода). Из теорий, которые были предложены для объяснения этих фактов, только одна получила широкое признание: гипотеза гигантского столкновения предполагает, что Луна появилась в результате того, что объект размером с Марс ударил по прото-Земле скользящим ударом.[1]:256[54][55]
В результате столкновения этого объекта, который иногда называют Тейя,[51] с Землей было выделено примерно в 100 млн раз больше энергии, чем в результате воздействия, которое вызвало вымирание динозавров. Этого было достаточно для испарения некоторых внешних слоев Земли и расплавления обоих тел.[54][1]:256 Часть мантии была выброшена на орбиту вокруг Земли. Эта гипотеза предсказывает, почему Луна была обделена металлическим материалом,[56] и объясняет её необычный состав.[57] Вещество, выброшенное на орбиту вокруг Земли могло сконденсироваться в единое тело в течение нескольких недель. Под влиянием собственной тяжести выброшенный материал принял сферического форму, и образовалась Луна.[58]
Первые континенты[править | править вики-текст]
Конвекция в мантии (англ.), процесс, который управляет тектоникой плит сегодня, является результатом теплового потока из недр Земли к её поверхности.[59]:2 Она включает в себя создание твердых тектонических плит в срединно-океанических хребтах. Эти плиты разрушаются субдукцией в мантии в зонах субдукции. В начале архея (около 3,0 млрд лет) в мантии было намного жарче, чем сегодня, вероятно, около 1600 °C,[60]:82 то есть конвекция в мантии происходила быстрее. Поэтому процесс, сходный с современной тектоникой плит, также должен был происходить быстрее. Вполне вероятно, что во время катархея и архея, зон субдукции было больше, и поэтому тектонические плиты были меньше.[1]:258
Первоначальная кора, образовавшаяся на поверхности Земли c первым затвердеванием, полностью исчезла из-за этой быстрой тектоники плит в Катархее и интенсивного воздействия поздней тяжелой бомбардировки. Тем не менее, считается, что она имела базальтовый состав, как и океаническая кора сегодня, потому что дифференциация коры ещё не произошла.[1]:258 Первые большие участки континентальной коры, которые являются продуктом дифференциации легких элементов в результате частичного плавления (англ.) в нижней коре, появились в конце Катархея, около 4,0 млрд лет назад. То что осталось от этих первых небольших континентов называют кратонами. Эти части коры позднего катархея и раннего архея формируют ядра, вокруг которых сегодня выросли континенты.[61]
Наиболее древние породы на Земле находятся в Северо-американском кратоне в Канаде. Это тоналиты возрастом около 4,0 млрд лет. Они имеют следы воздействия высоких температур, а также осадочные зерна, которые были округлены эрозией во время перемещения по воде, что является свидетельством существования рек и морей в то время.[62] Кратоны состоят в основном из двух чередующихся типов террейнов. Первые так называемые зеленокаменные пояса (англ.), состоят из низкосортных метаморфизованных осадочных пород. Эти «зеленые камни» похожи на отложения, которые сегодня можно найти в океанических впадинах выше зоны субдукции. По этой причине зеленые камни иногда рассматриваются как свидетельства субдукции в архее. Второй тип представляет собой комплекс из кислых магматических пород. Эти породы в основном типа тоналит, трондьемит или гранодиорит, близкие по составу к граниту (отсюда таких террейнов называют TTG-террейнами). TTG-комплексы рассматриваются как реликты первой континентальной коры, образованные в результате частичного расплавления в базальтах.[63]:Chapter 5
Атмосфера и океаны[править | править вики-текст]
График изменения парциального давления кислорода на протяжении геологической истории
См. также: Происхождение воды на Земле (англ.)
Часто говорят, что Земля имела три атмосферы. Первая атмосфера, захваченная из солнечной туманности, состояла из легких (атмофильных) элементов солнечной туманности, в основном водорода и гелия. Сочетание солнечного ветра и тепла земли привели к потере атмосферы, в результате чего в атмосфере в настоящее время содержит относительно меньше этих элементов по сравнению с космическими пространством.[14] Вторая атмосфера сформировалась в результате столкновения и последующей вулканической деятельности. В этой атмосфере было много парниковых газов, но мало кислорода.[1]:256 Наконец, третья атмосфера, богатая кислородом, возникла, когда бактерии начали производить кислород около 2,8 млрд лет назад.[64]:83–84,116–117
В ранних моделях формирования атмосферы и океана, вторая атмосфера была сформирована в результате дегазации летучих веществ из недр Земли. В настоящее время считается более вероятным, что многие из летучих веществ появились во время аккреции в результате процесса, известного как дегазация при столкновении, в котором сталкивающиеся тела испаряются при ударе. Поэтому океан и атмосфера начали формироваться как только Земля сформировалась.[65] Новая атмосфера, вероятно, содержала водяной пар, углекислый газ, азот и небольшие количества других газов.[66]
Планетезималь на расстоянии 1 астрономической единицы (а.е.), расстояние Земли от Солнца, возможно, не способствует существованию воды на Земле, потому что солнечная туманность была слишком горяча для льда, а гидратация пород в водяной пар займет слишком много времени.[65][67] Вода должна быть доставлена метеоритами из внешнего пояса астероидов и некоторыми крупными зародышами планет, находившихся на расстоянии более 2,5 а.е.[65][68] Кометы также могли внести свой вклад. Хотя большинство комет сегодня находятся на орбитах дальше от Солнца, чем Нептун, компьютерное моделирование показывает, что они изначально были гораздо более распространенным явлением во внутренней части солнечной системы.[62]:130-132
С охлаждением планеты образовались облака. Дождь создал океаны. Последние данные свидетельствуют, что океаны, возможно, начали формироваться ещё 4,4 млрд лет назад.[38] К началу архея они уже покрыли Землю. Столь раннее образование было трудно объяснить из-за проблемы, известной как парадокс слабого молодого Солнца. Звезды становятся более яркими, когда стареют, и во время формирования Земли Солнце излучало только 70 % его нынешней энергии. Многие модели предсказывают, что Земля была бы покрыта льдом.[69][65] Вероятно, решением является то, что в атмосфере было достаточно углекислого газа и метана для создания парникового эффекта. Вулканы производили углекислый газ, а ранние микробы — метан. Другой парниковый газ, аммиак, выбрасывался вулканами, но быстро разрушался под воздействием ультрафиолетового излучения.[64]:83
Происхождение жизни[править | править вики-текст]
Основная статья: Происхождение жизни
Одна из причин интереса к ранним атмосфере и океану в том, что они формируют условия возникновения жизни. Есть много моделей, но мало согласия в том, как из неживых химических веществ возникла жизнь. Химические системы, которые были созданы в лабораториях, все ещё отстают от минимальной сложности для живого организма.[70][71]
Первым шагом к появлению жизни, возможно, были химические реакции, создающие многие простые органические соединения, включая нуклеиновые и аминокислоты, которые являются строительными блоками жизни. Эксперимент Стэнли Миллера и Гарольда Юри в 1953 году показал, что такие молекулы могут образовываться в атмосфере, насыщенной водой, метаном, аммиаком и водородом при помощи электрической искры, имитирующей эффект молнии.[72] Несмотря на то, что состав атмосферы Земли, вероятно, отличался от состава, используемого Миллером и Юри, в последующих экспериментах с более реалистичным составом также удалось синтезировать органические молекулы.[73] Недавно компьютерное моделирование показало, что органические молекулы могли образоваться в протопланетном диске до образования Земли.[74]
Следующий этап в происхождении жизни может быть решен по меньшей мере одной из трех возможных отправных точек: самовоспроизведение — способность организма производить потомство очень похожее на себя; обмен веществ — способность питаться и восстанавливать себя; и клеточные мембраны — позволяющие потреблять пищу и выводить отходы, но исключающее попадание нежелательных веществ.[75]
Сначала воспроизведение: РНК-мир[править | править вики-текст]
Репликатором в практически всех известных формах жизни является дезоксирибонуклеиновая кислота. ДНК является гораздо более сложной, чем первоначальный репликатор
Основная статья: Гипотеза мира РНК
Даже самые простые члены трёх современных доменов жизни используют ДНК, чтобы записать свои «рецепты» в генетическую память и сложный комплекс РНК и белковых молекул, чтобы «читать» эти инструкции и использовать их для роста, поддержания и самовоспроизведения.
Открытие того, что некоторые типы молекулы РНК, называющиеся рибозимами, могут катализировать как самовоспроизведение так и строительство белков, привело к гипотезе, что ранние формы жизни были основаны исключительно на РНК.[76] Они могли образовать мир РНК, в котором были особи, а не виды, а мутации и горизонтальные переносы генов означали бы, что потомство в каждом поколении, весьма вероятно, имело геномы отличные от тех, которые были у их родителей.[77] РНК позже была заменена на ДНК, которая является более стабильной и, следовательно, можно построить более длинные геномы, расширяя спектр возможностей, которые может иметь единый организм.[78] Рибозимы остаются основными компонентами рибосомов, «фабрики белка» современной клетки.[79]
Несмотря на то, что короткие самовоспроизводящиеся молекулы РНК были искусственно получены в лаборатории,[80] возникли сомнения о том, что небиологический синтез РНК возможен в природе.[81][82][83] Первые рибозимы могли быть образованы из простейших нуклеиновых кислот, таких как ПНК, ТНК и ГНК (англ.), которые были бы позже заменены на РНК.[84][85] Также были предложены другие до-РНК репликаторы, в том числе кристаллы[86]:150 и даже квантовые системы.[87]
В 2003 году было предложено, что пористый преципитат сульфидов металлов будет способствовать синтезу РНК при температуре около 100 °C и давлении как на океаническом дне вблизи гидротермальных источников. В этой гипотезе липидные мембраны появятся последними из основных компонентов клетки, а до того времени прото-клетки будут ограничиваться использованием пор.[88]
Присоединяйтесь к ОК, чтобы подписаться на группу и комментировать публикации.
Нет комментариев