Парадокс слабого Солнца решен: как океан нагрел Землю без участия атмосферы

Четыре с половиной миллиарда лет назад наша планета представляла собой место, совершенно непригодное для существования живых организмов в современном понимании. Астрофизические модели указывают на то, что Земля должна была быть полностью покрыта льдом. Однако геологические данные свидетельствуют об обратном: океаны были теплыми, а химические процессы в них — активными. Ученые десятилетиями пытались разрешить это противоречие.

Новое исследование, проведенное в Южно-Китайском море, предлагает доказанное решение этой проблемы, связывая климат ранней Земли с процессами в глубинах океанического дна.

Климатическое противоречие

В науке о Земле существует фундаментальная проблема, известная как «парадокс слабого молодого Солнца». Звезды эволюционируют, и их светимость меняется со временем. Расчеты показывают, что на момент формирования Солнечной системы наше Солнце излучало примерно на 30% меньше энергии, чем сегодня.

При таком низком уровне поступающей энергии температура на поверхности Земли должна была быть значительно ниже точки замерзания воды. Согласно математическим моделям, планета должна была оставаться в состоянии глобального оледенения вплоть до периода, начавшегося около двух миллиардов лет назад.

Тем не менее, анализ древнейших горных пород показывает иную картину. Изучение цирконов (минералов, устойчивых к эрозии) возрастом до 4,4 миллиарда лет подтверждает, что на планете уже тогда существовала жидкая вода. Это означает, что температура поверхности была достаточно высокой. Единственным физическим объяснением этого феномена может быть наличие в атмосфере плотного слоя парниковых газов, которые удерживали тепло.

Углекислого газа для создания столь сильного парникового эффекта было бы недостаточно. Ученые предполагают, что ключевую роль играли более эффективные парниковые газы: аммиак и метан. Однако это предположение порождает новый вопрос — химический. Откуда на безжизненной планете могли взяться эти газы в таких огромных количествах?

Проблема химического синтеза

В середине XX века американский химик Стэнли Миллер провел эксперимент, ставший классикой науки. Он смоделировал условия ранней Земли, пропуская электрические разряды через смесь газов (метан, аммиак, водород), и получил аминокислоты — базовые компоненты белков. Это открытие легло в основу теории первичного бульона.

Однако последующие исследования состава атмосферы древней Земли показали, что Миллер использовал неверные исходные данные. Атмосфера того времени состояла преимущественно из молекулярного азота (N₂) и углекислого газа (CO₂). Эти газы химически инертны. Молекула азота, например, состоит из двух атомов, соединенных тройной связью. Разорвать эту связь крайне сложно: для этого требуется либо сложный ферментативный аппарат живых бактерий (которых тогда еще не существовало), либо колоссальные затраты энергии.

Чтобы превратить атмосферный азот в аммиак, необходим процесс восстановления (присоединения водорода). Долгое время оставалось неясным, какой природный механизм мог осуществлять эту реакцию в планетарных масштабах до появления жизни.

Роль гидротермальных систем

Международная группа исследователей из Университета Альберты (Канада) и научных институтов Китая предложила искать источник аммиака не в атмосфере, а в недрах океана.

Океаническое дно пронизано сетью трещин, через которые морская вода проникает глубоко в кору. Там она встречается с горячими магматическими породами, нагревается до высоких температур и выбрасывается обратно через гидротермальные источники. Этот процесс сопровождается активными химическими реакциями.

Гипотеза ученых заключалась в следующем: минералы, содержащиеся в океанической коре (особенно богатые железом), могут выступать в качестве природных катализаторов. При высоком давлении и температуре они способны восстанавливать растворенный в воде азот до аммиака, а углекислый газ — до метана.

Теоретически этот процесс возможен, но подтвердить его на практике долгое время не удавалось. Проблема заключалась в методологии сбора проб. Современный океан насыщен биологической жизнью. Бактерии и другие организмы постоянно производят аммиак как продукт жизнедеятельности. При заборе воды из гидротермального источника невозможно отличить «геологический» аммиак от «биологического».

Доказательства из недр

Чтобы исключить влияние современных биологических процессов, авторы исследования изменили подход. Вместо анализа воды они сосредоточились на изучении твердых пород. В рамках программы глубоководного бурения в бассейне Южно-Китайского моря был извлечен керн с глубины, недоступной для случайного загрязнения поверхностными водами.

Ученые исследовали так называемые вторичные минералы. Это кристаллы, которые формируются из горячих гидротермальных растворов внутри полостей горных пород. В процессе роста эти минералы захватывают микроскопические количества веществ из окружающей среды и изолируют их внутри своей кристаллической решетки. Таким образом, аммиак, попавший внутрь кристалла миллионы лет назад, сохраняется в неизменном виде.

Для определения природы этого аммиака был использован метод изотопного анализа. Азот в природе существует в виде двух стабильных изотопов:

1. Азот-14 (¹⁴N): легкий изотоп.
2. Азот-15 (¹⁵N): тяжелый изотоп.

Химические реакции, протекающие без участия живых организмов (абиотические), подчиняются строгим кинетическим законам. При восстановлении азота на минеральных катализаторах реакция идет быстрее с более легким изотопом ¹⁴N. Следовательно, продукт такой реакции должен содержать специфическую пропорцию изотопов.

Результаты лабораторных анализов образцов из Южно-Китайского моря совпали с теоретическими предсказаниями для абиотического процесса. Изотопная подпись однозначно указывала на то, что аммиак внутри минералов был синтезирован в ходе геологических процессов, без участия живых организмов.

Значение для понимания эволюции планеты

Данное открытие позволяет выстроить непротиворечивую картину ранней истории Земли. Гидротермальные системы действовали как глобальный химический реактор.

Во-первых, они обеспечили решение климатической проблемы. Производимый в недрах коры аммиак выбрасывался в океан, а оттуда попадал в атмосферу. Вместе с метаном он создавал плотную газовую оболочку, которая удерживала тепло слабого Солнца и предотвращала замерзание воды.

Во-вторых, это объясняет происхождение строительных блоков жизни. Аммиак является источником доступного азота, необходимого для синтеза аминокислот, белков и РНК. До появления первых организмов именно геологические процессы в гидротермальных источниках непрерывно поставляли необходимые компоненты для предбиологической химии.

Таким образом, условия для возникновения жизни были созданы самой геологией планеты. Тепло и химические элементы, необходимые для первых живых структур, возникли благодаря взаимодействию воды и раскаленных пород на дне древнего океана.

Источник:Nature Communications