Найдены строматолиты возрастом 3,7 млрд лет — древнейшие следы жизни на Земле

Вид на гору Исуа. Эта гора высотой 1240 м покрыта ледником, таяние которого обнажило полосчатые железистые кварциты возрастом 3,7 млрд лет. Фото из статьи S. Moorbath, 2009. The discovery of the Earth's oldest rocks

Австралийские ученые вместе с коллегой из Англии, продолжив свои многолетние исследования осадочных пород зеленокаменного пояса Исуа в Гренландии, нашли недостающее доказательство существования древнейшей микробной жизни. В новом местонахождении, открывшемся на месте растаявшего ледника, они обнаружили слоистые структуры, по форме и элементному составу сходные с известными строматолитовыми постройками архея. Их возраст составляет 3,7 млрд лет, и это самые древние из известных на сегодня свидетельств жизни.

Новое сообщение о древнейших следах земной жизни опубликовали в свежем выпуске журнала Nature специалисты из нескольких университетов Австралии вместе с геологом из Оксфорда Кларком Френдом (Clark R. L. Friend). Продолжив свои многолетние исследования зеленокаменных пород формации Исуа (см. Isua Greenstone Belt) в Гренландии, ученые нашли недостающее доказательство существования микробной жизни в архейском море Исуа. Формация Исуа в Гренландии хорошо знакома всем, кто интересуется проблемами становления земной жизни.

Ранние следы жизни следует искать в осадочных породах, ведь в вулканических или метаморфических породах органическое вещество в принципе не сохраняется. Проблема в том, что сами осадочные породы, оставшиеся в неизменном состоянии с древнейших времен, должны быть чрезвычайно редки. Обычно они погребены под последующими наслоениями осадков или в ходе субдукции геологических блоков погружаются вглубь коры и мантии, подвергаясь действию высоких давлений и температур, из-за чего начинаются химические реакции и изменяются первичные характеристики исходных пород. Так что от тех древнейших времен до нас доходят — увы — материалы, сильно переработанные и химически, и структурно. Реконструировать их первоначальный вещественный состав весьма непросто, если вообще возможно. Но всё же вероятность сохранения малоизмененных пород не равна нулю, и на Земле есть несколько мест, где такие исходные осадочные породы сохранились. Среди них — как раз формация Исуа, самые старые породы которой имеют возраст 3,8–3,7 млрд лет, и, например, группа Пилбара в Австралии возрастом 3,5–3,4 млрд лет и моложе. В этих местах (и в некоторых других — например, в Южной Африке), ученые ведут поиск самых древних следов жизни. Формация Исуа во главе этой эстафеты, ведь именно там сохранились самые древние почти не измененные осадочные породы.

Какие в принципе нужны основания для заявлений вроде «здесь была жизнь»? Во-первых, должны присутствовать осадочные прослои, которые к тому же сформированы при сравнительно низких температурах и давлениях, и для которых можно надежно определить абсолютный возраст. Во-вторых, может выявиться фракционирование изотопов углерода и серы, то есть элементов, вовлеченных в любую биологическую жизнедеятельность. В-третьих, могут найтись минералы, образованные с микробным участием. В-четвертых, интересно резкое увеличение количества некоторых элементов, ассоциированных с микробной деятельностью. В-пятых, могут присутствовать образования, внешне напоминающие биологические объекты. Обнаружив хотя бы одно из этих проявлений (а еще лучше, если сразу несколько!), специалист имеет право предполагать наличие жизни.

С 1996 года, когда в осадочных графитовых зернах из апатитов Исуа были найдены следы фракционирования изотопов углерода, утвердилось мнение, что именно это и есть древнейшее свидетельство земной жизни. Позже заключения по изотопному фракционированию углерода в Исуа были подвергнуты критике, так как те графитовые зерна имеют широкий диапазон изотопного состава, а сами минералы, которые послужили материалом для исследования, по всей видимости, не осадочного происхождения (J. S. Mayers, 2001. Protoliths of the 3.8–3.7 Ga Isua greenstone belt, West Greenland). В результате принятые датировки видимых свидетельств жизни «омолодились» на сотни миллионов лет. Древнейшими безоговорочными свидетельствами жизни были признаны микрофоссилии формации Онвервахт (Onverwacht, ЮАР, возраст 3,5 млрд лет), формации Варравуна (Warrawoona, Западная Австралия, 3,5–3,3 млрд лет), а также разнообразная микробиота формации Дрессер (Dresser, Западная Австралия, 3,48 млрд лет).

Так выглядят древнейшие строматолиты — наслоения бактериальных матов, в которых органические слои (сами маты) чередуются с неорганическими (осадками). На этих фотографиях строматолиты возрастом 3,48 млрд лет из формации Дрессер в Западной Австралии. Постройки имеют остро-коническую форму (слева) или форму пологого колокола или купола (справа). Фотографии из статьи M. J. Van Kranendonk et al., 2011. Morphology as an Indictor of Biogenicity for 3.5–3.2 Ga Fossil Stromatolites from the Pilbara Craton, Western Australia

Нужно подчеркнуть, что исследователи формации Исуа не останавливали свои исследования, и несмотря на многолетний скепсис продолжали искать в древнейших породах Гренландии остатки жизни. Тщательное определение возраста цирконов в различных стратиграфически последовательных блоках формации убедительно показало возраст 3,71–3,69 млрд лет. Затем команда австралийцев (среди них и авторы новой публикации) опубликовала новые доказательства осадочного происхождения некоторых пород Исуа — потребовалось детальное картирование для нахождения источника осадков.

Вскоре нашлись и свидетельства низкотемпературной переработки минералов, слагающих эти осадочные породы. Слои доломита и кварца при температурах выше 550^оС преобразуются в тремолит, а тут тремолит вовсе не доминировал в прослоях. Это означало, что температура соответствовала условиям сохранения исходных пород. Были измерены элементные спектры осадочных слоев. И в них, как это характерно и для осадков современных и древних морских мелководий, было повышено содержание иттрия и лантана. Значит, в этом месте была морская вода, а не суша и не пресные лужи.

Таким образом, потребовалось около десятка лет, чтобы с фактами отстоять осадочную природу некоторых участков зеленокаменного пояса Исуа (Isua Greenstone Belt). Можно было снова переходить к поиску следов жизни в этом облюбованном и «выстраданном» месте. В этом ключе было выдвинуто не лишенное смысла предположение, что доломит, слагающий осадочные слои Исуа, может быть биологического происхождения (к данным по фракционированию углерода для доказательства жизни, кстати, так и не возвратились). Происхождение доломитов при относительно низких температурах не имеет четкого химического объяснения, и одной из обоснованных гипотез служит бактериально опосредованное его формирование. Так что ученые заключили, что раз имеется такой доломит, то, возможно, жизнь сыграла здесь не последнюю роль.

Геолог Кларк Френд, признанный знаток архейских пород Гренландии, разглядывает обнаруженные слоистые структуры: охристые слои сложены доломитом, светлые — кварцитом и доломитом. Стрелка указывает на неровности доломитового слоя — строматолиты. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature

Однако все эти обстоятельства слишком косвенные, поэтому во всех своих публикациях ученые говорили лишь о подходящих условиях для жизни и о ее возможном присутствии. И вот, при обследовании выхода пород, недавно открывшихся из-под растаявшего ледника, были найдены слоистые структуры: доломит и кварцитового доломита. И по границам некоторых доломитовых слоев выявились четкие гетерогенные неровности. Они имели волнообразную или конусовидную асимметричную формы, чрезвычайно похожие на те строматолитовые постройки, которыми знаменита формация Дрессер и другие палеоархейские микробиальные образования.

а — форма прослоев в образце из нового местонахождения Исуа. b — прорисовка этих слоев с обозначениями: strom — отдельный строматолит, stroms — наложенные друг на друга строматолиты с видимыми слоистыми поверхностями, голубой пунктир — доломитовые участки, красный пунктир — направление залегания кварцито-доломитов, зеленый пунктир — косая слоистость, появившаяся в результате слабой тектонической деформации. с и d — строматолиты из местонахождения Wooly Dolomite в Западной Австралии возрастом 2,7–2,4 млрд лет имеют похожую форму асимметричных конусов или куполов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Из-за схожести по форме и слоистости с безусловными строматолитами более молодого возраста эти структуры также были признаны строматолитами. А с учетом доказанной осадочной природы вмещающих пород и низкой температуры при их дальнейшей трансформации, они получают надежное фактологическое обоснование. Таким образом, мы теперь можем снова вернуть формации Исуа переходящий вымпел древнейших осадочных пород со следами жизни — их возраст 3,7 млрд лет.

Спектры редких элементов в древнейших строматолитах Дрессер (желтая линия) и Исуа (голубая и красная линии — строматолит, черная — кварцито-доломитовый осадок). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Стоит, однако, при этом не забывать, что данная работа — всего лишь начало нового витка исследований ископаемой жизни в этих интереснейших местонахождениях. Сомнения и вопросы относительно биологической природы строматолитоподобных образований в Исуа у специалистов наверняка скоро появятся. Например, в этих образованиях пока не обнаружено определенных следов фракционирования изотопов углерода. Наверное, нужны дополнительные измерения по другим образцам. Также, в этих образованиях, в отличие от строматолитов формации Дрессер, пик иттрия существенно ниже — хорошо бы понять причину отклонения. Наиболее придирчиво скептики отнесутся к обсуждению доказательств низкотемпературной природы минералов, слагающих слоистые структуры. Но им нужно будет теперь учитывать существенно более тщательно проработанный и богатый материал, чем раньше.

Источник: Allen P. Nutman, Vickie C. Bennett, Clark R. L. Friend, Martin J. Van Kranendonk & Allan R. Chivas. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016. DOI: 10.1038/nature19355.

Елена Наймарк