17. ledna 2001 — Vědci na základě stop v nejstarších nalezených minerálních zrnech vykreslují portrét Země, jak vypadala krátce po svém vzniku před 4,56 miliardami let.
Drobné zirkony (krystaly křemičitanu zirkoničitého) nalezené v dávných potočních usazeninách naznačují, že na Zemi se před 4,3 až 4,4 miliardami let, tedy pozoruhodně brzy po vzniku naší planety, vyvinuly kontinenty a voda – možná dokonce oceány a prostředí, v němž mohl vzniknout mikrobiální život.
Níže: Kam nově objevené zirkony zapadají v historii Země. Obrázek: Dan Brennan.
Zjištění dvou výzkumných skupin, jedné v Austrálii a druhé ve Spojených státech, naznačují, že „kapalná voda se na planetách zemského typu stabilizuje brzy,“ řekl geolog Stephen Mojzsis, člen týmu Astrobiologického ústavu NASA při Coloradské univerzitě v Boulderu. „To zvyšuje pravděpodobnost nalezení života i jinde ve vesmíru“, protože podmínky vhodné pro život se zřejmě mohou vyvinout rychleji a snadněji, než se dříve předpokládalo.
Dává nám to také „nový pohled na ranou Zemi, kde se Země rychle ochladila“ poté, co se plyn a prach v nově vzniklé sluneční soustavě srazily a vytvořily planety, řekl geolog William Peck z Colgate University v Hamiltonu ve státě New York. „Opravdu brzy zde byly kontinenty a voda – a možná i oceány a život – to vše bylo později vymazáno meteority a nezůstaly po nich téměř žádné záznamy kromě těchto zirkonů.“
Až do doby před zhruba 3,9 miliardami let roje komet a meteoritů bičovaly mladou Zemi dostatečně často, aby občas vypařily povrchové zóny oceánů a vymazaly veškerý život, který zde sídlil. Nejstarší známý důkaz mikrobiálního života na Zemi pochází ze vzorců izotopů uhlíku, které Mojzsis a jeho kolegové zkoumali v grónských sedimentech starých 3,85 miliardy let.
Nyní zirkony ze západní Austrálie dokazují, že kontinenty a voda existovaly před 4,3 až 4,4 miliardami let. „Život mohl mít možnost začít o 400 milionů let dříve, než bylo dosud zdokumentováno,“ řekl Mojzsis.
„Život mohl vzniknout mnohokrát, jen aby byl rozbit, a uchytí se až poté, co se meteority zúží,“ dodal Peck.
Mojzsis a Peck patří k samostatným výzkumným týmům, jednomu, který v roce 1999 našel 4,4 miliardy let starý zirkon, a druhému, který loni objevil dvojici 4,3 miliardy let starých zirkonů ze stejné oblasti skalního útvaru Jack Hills v Západní Austrálii. Obě skupiny publikovaly své studie 11. ledna 2001 v britském časopise Nature.
Zirkon starý 4,4 miliardy let je „naším nejstarším záznamem o nejstarší zemské kůře“, řekl Peck. Tento zirkon a o něco mladší zirkonová zrna měří na šířku zhruba 250 mikronů – méně než jednu setinu palce.
„Tyto zirkony prošly opravdu těžkou zkouškou,“ řekl Peck.
Vlevo: Oblast Jack Hills v západní Austrálii, kde byly zirkony objeveny. Foto: Simon Wilde.
Jejich historie začala někdy po vzniku Země, kdy „kapalná voda interagovala s horninami“, řekl. K této interakci může dojít jedním ze tří způsobů: při výměně vody s minerály v horninách, při růstu krystalů z roztoku v podzemní vodě nebo při ukládání minerálních žil. Působení vody zvýšilo v horninách obvykle nízký poměr neobvyklého izotopu kyslíku-18 k běžnějšímu izotopu kyslíku-16, řekl.
Později byly horniny roztaveny v podzemí – nebo možná při bombardování meteoritem – a zirkony se vytvořily jako krystaly v roztavené žule, která chladla a tvořila pevnou horninu.
Žula se zirkony byla nakonec vymrštěna vzhůru a vytvořila pohoří, které později erodovalo. Žula zmizela, ale zirkony nakonec spočinuly před 3 miliardami let v písčitých sedimentech australských potoků. Tyto sedimenty později ztvrdly v horniny, které byly následně změněny teplem a tlakem.
Oba výzkumné týmy použily k datování a analýze krystalů zirkonu, které často obsahují uran, prvky vzácných zemin a další nečistoty, přístroje zvané iontové mikrosondy. Uran se rozpadá na olovo známou rychlostí. Poměr uranu a olova v zirkonech ukázal, že vznikly již před 4,4 až 4,3 miliardami let, když krystalizovaly v roztavené žule.
Níže: Mikroskopický pohled na krystal zirkonu (křemičitanu zirkoničitého), jehož stáří bylo stanoveno na 4,4 miliardy let. Foto: John W. Valley
Kontinentální kůra je jiná než kůra, která se nachází pod oceány. Žula je běžnou horninou kontinentů. A v žule běžně krystalizují zirkony.
Zirkony tedy naznačují, že žula byla přítomna před 4,3 až 4,4 miliardami let, zatímco granit znamená, že v té době existovaly kontinenty. Tak staré žulové horniny nebyly nalezeny; všechny byly následně erodovány nebo jinak recyklovány. Staré zirkony jsou přežívajícími zbytky žuly zemské kůry z raných let existence Země.
„Skutečnost, že máte 4,4 miliardy let starý zirkon z granitu, naznačuje, že zde musela být hornina kontinentální kůry,“ řekl geolog Sam Bowring z Massachusettského technologického institutu.
Iontová mikrosondová analýza prvků vzácných zemin v krystalech zirkonu rovněž zjistila hladiny typické pro kontinentální horniny, řekl Peck.
Přítomnost vody na mladé Zemi byla potvrzena, když obě skupiny analyzovaly zirkony na izotopy kyslíku a nalezly výmluvný podpis hornin, kterých se dotkla voda: zvýšený poměr kyslíku-18 ke kyslíku-16.
V důsledku toho „víme, že někdy před 4,4 miliardami let zde byla kapalná voda,“ řekl Peck. Tekutá voda se musela někde shromažďovat, což zvyšuje možnost vzniku oceánů, dodal.
Podle něj je také pravděpodobné, že oceány existovaly, protože „k vytvoření kontinentů je třeba mít vodu“.
Peck uvedl, že ještě před vznikem oceánů se mohly začít pohybovat obří desky zemské kůry, které se vzájemně srážely, což způsobilo ponoření velkých bloků hornin směrem dolů v procesu zvaném subdukce. Bez oceánů by se tyto horniny nemohly roztavit a vytvořit kontinentální horniny, jako je žula, řekl.
Níže: Výřez typu horniny, kde byly zirkony objeveny. Kladívko ukazuje měřítko. Foto: Simon Wilde.
Když však existovaly oceány, mořská voda mohla reagovat s lávou vyvěrající z podmořských sopek na středooceánských hřbetech a hydratovat ji. Láva by se pak ochladila a vytvořila nové mořské dno, které později subdukovalo. Voda zachycená v minerálech uvnitř potápějící se horniny snížila její teplotu tání a vyvolala sopečné erupce, které pravděpodobně vytvořily ostrovní řetězce z granitových hornin. Předpokládá se, že tyto „ostrovní oblouky“ se nakonec spojily a vytvořily kontinenty.
„Oceány, atmosféra a kontinenty byly na svém místě již před 4,3 miliardami let,“ řekl Mojzsis.
Podle Pecka mohly první oceány vzniknout z vody, kterou na Zemi přinesly komety, nebo byly vyvrženy během raných sopečných erupcí z míst, která se stala středooceánskými hřbety.
Zirkony naznačují, že život mohl na Zemi existovat již před 4,3 miliardami let, řekl Mojzsis, protože zde byly přítomny tři klíčové faktory nezbytné pro vznik života: energie, organický materiál (z přilétajících komet a atmosférických reakcí) a — podle zirkonů — kapalná voda.
Kredity: Peck, Simon Wilde z Curtin Institute of Technology v Austrálii, John Valley z University of Wisconsin v Madisonu a Colin Graham z University of Edinburgh ve Velké Británii. Wilde našel 4,4 miliardy let staré zrno v roce 1999 při datování zirkonů z horniny odebrané v roce 1984, uvedl Peck. Mojzsis a jeho kolegové uvedli, že loni našli dvojici 4,3 miliardy let starých zirkonů ze stejné oblasti skalního útvaru Jack Hills v Západní Austrálii. Mojzsis spolupracoval s geochemikem Markem Harrisonem z Kalifornské univerzity v Los Angeles a Robertem Pidgeonem z Curtin Institute of Technology.