Поддержание устойчивого климата
Все мы со школьной скамьи знаем, что отдельные участки земной коры дрейфуют, сталкиваясь друг с другом. Однако как это влияет на жизнь на планете, нам обычно не сообщают. Для начала можно сказать о том, что тектоника плит позволяет поддерживать относительно стабильный климат. Она играет важную роль почти на всех этапах неорганического углеродного цикла. Вулканы выбрасывают СО2 в атмосферу, разогревая планету. Благодаря этому увеличивается скорость химических реакций, разрушающих содержащие кремний минералы в континентальных породах. Это приводит к выкачиванию из атмосферы углекислого газа, и Земля снова охлаждается. Описанный макропроцесс стабилизирует климат в крупном масштабе – в течение миллионов и даже миллиардов лет.
Но это ещё не все. Реки уносят продукты этой вялотекущей деятельности, а именно соединения углерода, кальций и магний, в океаны. Здесь происходят уже иные реакции. Часть углерода снова превращается в СО2, а другая опускается на дно в виде карбонатов, преимущественно в составе раковин морских организмов. В результате субдукции континентальных плит эти отложения возвращают углерод туда, где он находился изначально – под земную кору. Оттуда он выносится в атмосферу вулканами, и цикл начинается заново. К сожалению, он занимает сотни тысяч и даже миллионы лет, поэтому не в состоянии оперативно исправить резкие изменения – например, то воздействие, которое оказывает на атмосферу хозяйственная деятельность человеческой цивилизации.
Кислород
Вполне возможно, что насыщение атмосферы кислородом также произошло в результате тектонической деятельности. Океаническая кора состоит в основном из базальта, а континентальная – из гранита. Кислород активно взаимодействует с железом и серой, которые гораздо чаще встречаются в базальте, чем в граните. Это значит, что появление на планете крупных участков суши вызвало существенный химический сдвиг в составе земной коры. Интенсивность поглощения кислорода заметно уменьшилась, благодаря чему он стал накапливаться в атмосфере. Кроме того, тектоника плит могла служить неким катализатором фотосинтеза, поставляя необходимые для него питательные вещества в океаны планеты. Как минимум, опосредованно.
В 2018 году были опубликованы результаты исследования, авторы которого измерили количество фосфора в коре планеты за всю историю Земли. Ученые обнаружили, что оно демонстрирует корреляцию с концентрацией кислорода в атмосфере в течение того же периода времени. Перемещаясь, тектонические плиты открывают пути для выхода тепла, благодаря чему мантия под ними охлаждается быстрее. Фосфор же собирается в раскаленных породах, которые выталкиваются вулканами на поверхность и становятся частью земной коры. Затем он выносится ветрами и реками в океан, где оказывает самое благотворное влияние на фитопланктон, который производит кислород в процессе фотосинтеза и насыщает этим живительным газом атмосферу.
Дело, однако, не только в фосфоре. В 2015 году один научный коллектив проанализировал более 4000 образцов пирита. Формируясь в океане, его кристаллы захватывают в воде микроэлементы и питательные вещества, закрепляя в себе этот своеобразный отпечаток времени на веки вечные. Изучая сохраненную пиритом информацию, исследователи установили корреляцию между высоким содержанием питательных веществ в океанах и кислорода в атмосфере. Ещё важнее то, что им удалось связать несколько эволюционных всплесков с теми периодами, когда океаны в результате тектонической деятельности активно пополнялись «удобрениями» с суши. Это, в частности, относится к кембрийскому взрыву. С другой стороны, несколько массовых вымираний произошли в моменты наименьшей тектонической активности. Ученые не претендуют на то, что обнаружили прямую взаимосвязь, но установленные ими закономерности действительно заставляют задуматься.
Обратная связь
Некоторые геологи считают, что тектоника на нашей планете возникла благодаря биологической жизни, так как самые ранние свидетельства о наличии на Земле фотосинтеза подозрительно совпадают по времени с началом движения континентальных плит. И тому и другому, по имеющимся данным, около 3.8 миллиардов лет. Естественно, это может быть банальным совпадением. Мы очень мало знаем о столь давней истории планеты, и даже то, что известно, регулярно подвергается коррекции в связи с появлением других доказательств. Однако если верить гипотезе, представленной в 2006 году, фотосинтез мог произвести самые кардинальные изменения на Земле, в том числе на таком фундаментальном уровне, как тектоника плит.
Здесь надо вспомнить, что океаническая кора состоит из более плотного базальта, а континентальная – из гранита, который полегче. Именно благодаря этому одна находится ниже, а вторая выше. Но воспринимать гранит как нечто само собой разумеющееся в корне неправильно. Когда магма извергается из мантии на поверхность, она, охлаждаясь, образует базальт. Это видно в том числе и на примере вулканов «горячих точек», то есть тех, в которых магма прожигает себе проход наверх посреди литосферной плиты. Этот феномен характерен для всех известных небесных тел земного типа, в том числе для Луны и Марса. Но образование гранита требует особых условий, и до нынешней поры он найден только на Земле. Он рождается в результате субдукции плит океанической коры. Здесь нужны два ингредиента – базальт и вода, которая снижает температуру плавления породы, позволяя войти в состав «варева» нескольким дополнительным компонентам.
Причем здесь биология? Во-первых, она ускоряет процесс выветривания. Фотосинтез генерирует кислород и другие химические вещества, помогающие разрушать образующие сушу горные породы. Результат этой переработки выносится в океаны и оседает. Смешиваясь с отложениями, появившимися в процессе жизнедеятельности планктона и более сложных форм жизни, этот материал захватывает в себя значительное количество воды и образует толстый слой на океанском дне. Субдукция погружает это «покрывало» под континентальную плиту. Достигнув определенной глубины, оно плавится, но к данному моменту внутри слоя все ещё достаточно воды, чтобы при переплавке получился гранит, а не базальт. В 2014 году ученые провели компьютерную симуляцию, которая показала, что в отсутствие биологической жизни на планете не было бы такого количества континентальной коры.
