Kaip prakalbinti uolienas

Šie metai mokslo pasaulyje skirti Čarlzui Darvinui. Lygiai prieš du šimtmečius gimė žmogus, kuris sukūrė evoliucijos teoriją. Iš tiesų, kinta visa kas gyva, bet taip pat ir negyvasis pasaulis. Kitimas – gyvenimo esmė. Tai labai įdomūs procesai, kuriuos ne visada lengva užfiksuoti ir įrodyti. Č. Darvinas ilgai stebėjo gamtą, kol išdrįso viešai paskelbti savo tyrimų rezultatus. Per tuos porą amžių mokslininkai sukūrė įvairių metodų, padedančių analizuoti ir vertinti gyvosios ir negyvosios gamtos – pavyzdžiui, uolienų formavimąsi arba evoliuciją.

G. Motuza: Apie žemės susidarymą, jos sandarą mintys buvo išsakomos labai seniai. Kuo mažiau apie tai žinome, tuo lengviau kelti įvairias hipotezes. Jų buvo keliama ir Antikos laikais, viduramžiais. Dabartinė samprata apie Žemės kilmę išsivystė iš I. Kanto ir Laplaso pasiūlytų hipotezių. Jie abu skirtingais būdais iškėlė mintį, kad Žemė susidarė iš Visatoje buvusių dulkių ir dujų sankaupų. Toje vietoje, kur dabar yra Saulės sistema. Dulkėms ir dujoms telkiantis į gniutulus dėl gravitacinės jėgos poveikio. Filosofas I. Kantas iškėlė tokią mintį, o Laplasas ją pagrindė matematiškai. Tai įvyko XVIII a. ir XIX a. sandūroje. Nuo to galima skaičiuoti dabartinės sampratos apie Žemės kilmę pradžią.

Fantazijos ir hipotezės

Viskas prasideda nuo fantazijų ar hipotezių. Vėliau jas bandoma įrodyti arba atmesti. Surasti faktų, patvirtinančių tas idėjas. Mūsų planetos, kaip ir Visatos susiformavimas – intriguojanti, bet dar nelabai aiški sritis. Tad nuo ko pradėti ir ar yra pagrindas, nuo kurio galime atsispirti, tyrinėdami Žemę ir aiškindamiesi jos susidarymo mechanizmą?

G. Motuza: Kol kas galima gan užtikrintai pasakyti, iš kokios medžiagos susidarė Žemė. Visi sutaria, kad tai kosminės dulkės, kurių ir dabar yra Visatoje. Yra tokių analogų, dar nesusitelkusių darinių.

Hipotetinė  yra Mėnulio kilmė. Ji paremta nepakankamu kiekiu faktų. Tai hipotezė, kuri šiuo metu geriausiai tenkina ką mes žinome apie Mėnulio savybes, jų tarpusavio padėtį. Mėnulis turbūt susidarė, susidūrus Žemei su planeta, didesne už Marsą. Jai net sugalvotas pavadinimas -Teja.

Kaip veikia Žemė

Žemė – ypatinga planeta. Kol nesuradome panašių į ją planetų prie kitų saulių, galime jaustis unikalūs ir nepakartojami. Suprantama, kad aiškinantis Visatos, įvairių dangaus kūnų susidarymo mechanizmus, kol kas daugiau klausimų, negu atsakymų. Suprasti, kaip susiformavo Žemė, turėtų būti lengviau, nes mes ant jos gyvename. Mokslininkai gali pačiupinėti savo tyrimų objektą. Ar jie jau gali atsakyti, kaip susidarė Žemė ir kaip ji veikia? Ir kokie mokslininkai tuo domisi?

G. Motuza: Geologų uždavinys – išsiaiškinti, kaip veikia Žemė. Kita vertus, gamta yra vieninga. Joje negalima pravesti ribų, atskirti vieną mokslo sritį nuo kitos. Kaip sakė N. Vyneris, ribos tarp mokslų yra administracinis sąlyginumas. Aiškinantis  gyvybės kilmę ir raidą, susikerta biologijos, geologijos sritys. Jos persidengia, nes evoliucijos teorija neįmanoma be senosios gyvybės formų raidos supratimo. Jų nustatymas, išskyrimas, aplinkos, kur jie gyveno prieš milijardus metų – tai pasiekiama geologijos metodais.

Kita vertus, žemės gelmes, kurių negalima pačiupinėti, geologai tiria fizikiniais metodais. Tai geofizikos sritis. Pačią žemės raidą, jos susidarymą, padėtį Visatoje, Saulės sistemoje ir tos padėties įtaką Žemei, pvz., Saulės spinduliuotės įtaką geologai tiria kartu su astronomais, kosmologais. Bet geologų atsakomybė – suprasti, kaip veikia Žemė, kokie procesai joje vyksta šiuo metu. Kokie vyko praeity. Ir svarbiausia – kas bus ateityje.

Geriausi praeities liudininkai – uolienos. jos gali daug pasakyti apie planetos susidarymą, taip pat gyvybės atsiradimą bei evoliuciją. Todėl geologai visame pasaulyje ieško įvairaus amžiaus uolienų. Be abejo labiausiai juos domina pačios seniausios. Bet jų turbūt ne taip paprasta surasti?

G. Motuza: Seniausias uolienas rasti sunku, nes jų išlikę labai nedaug. Senesnių negu 3,5 mlrd. metų Žemėje surasta tik 10,000 kvadr. kilometrų. Tačiau tobulėjant matavimo metodams, randamos vis naujos uolienos. Šiuo metu seniausios žemėje surastos uolienos yra 4,3 mlrd. metų. Jos yra Labradoro pusiasalyje, prie Hudzono įlankos. 

Metodai

Mokslinio metodo taikymas ir įvairios žinios paverčia žmogų supermenu. Arba bent Šerloku Holmsu, stebinusiu savo įžvalgomis daktarą Vatsoną. Žvalgydamasis aplink, toks specialistas mato kur kas daugiau, negu neprofesionalas. Galima sakyti, jis įgyja ypatingą regėjimą. Pasikaustęs mokslo žiniomis, naujausiomis technologijomis ir prietaisais, mokslininkas tampa keliautoju per laiką. Kaip visgi pavyksta atkurti, bent vaizduotėje, procesus, kurie Žemėje vyko prieš milijardus metų? Kaip rasti tuos liudininkus, nustatyti uolienų amžių?

G. Motuza: Yra labai daug metodų. Pavyzdžiui, litosferos plokščių tektonikos hipotezė atsirado tik XX a. septintame dešimtmetyje, kai geologija subrendo. Kai atsirado pakankamai patikimų žinių ir faktų, gautų fizikiniais, paleontologiniais metodais. Juos apjungus, pavyko sukurti litosferos plokščių tektonikos teoriją. Ji grindžiama kompleksiškumu. Labai įvairialypiai duomenys, faktai gali būti paaiškinti, naudojant tą teoriją. Tie faktai gali būti, pvz. paleontologiniai duomenys. Vegeneris pastebėjo, kad panašios gyvūnų rūšys arba fosilijos randamos ir Pietų Amerikoje, ir Afrikoje. Yra ir petrografinių duomenų: panašios uolienos yra abiejose vandenyno pusėse.

Padeda ir žinios apie vandenyno dugno sąrangą – okeanografiniai, okeanologiniai duomenys. Paaiškėjo, kad vandenynų dugnas labai jaunas. Jeigu žemynų amžius siekia keturis mlrd. metų, vandenynų dugno amžius – tik apie 170 mln. metų. Yra ir vandenų įmagnetinimo tyrimai, kurie parodė, kad vandenyno dugne yra skirtingos krypties įmagnetintos uolienos. Tai atspindi magnetinių polių virsmą bet kartu ir dugno palaipsnišką plėtimąsi. Taip pat jo susidarymą, liejantis magmai iš didžiulių plyšių žemės gelmėse. Pagaliau yra geofiziniai duomenys, tiriant seisminių bangų judėjimo greičius ir kelius žemės gelmėse. Paaiškėjo, kad egzistuoja vadinamieji plumai – karštos mantijinės medžiagos srautai, kylantys iš gilumos, mantijos ir branduolio ribos, kurie link paviršiaus atneša labai aukštą temperatūrą. Jie skleisdamiesi ir plešia tas litosferos plokštes.

Uolienų amžius nustatomas vadinamais absoliutaus datavimo arba radiologiniais metodais. Jie remiasi radioaktyvių elementų skilimo greičiu. Tas greitis yra pastovus. Pvz., uranas skildamas gamina švino atomus. Kuo daugiau laiko praeina, tuo mažiau pradiniame medžiagos kiekyje lieka urano atomų ir susidaro daugiau švino atomų. Todėl išmatavus urano ir švino atomų santykį, jų izotopų kiekį, galima gan tiksliai pasakyti, kiek praėjo laiko nuo to skilimo pradžios. Yra ir daugiau metodų. Tarp naudojamų: samario – neodimio; rubidžio – stroncio; osmio – iridžio. Visais jais galima nustatyti uolienų ir kitų objektų amžių. Tačiau ne visų uolienų amžių.

Gyvybės paieška

Taip mes priartėjome prie labiausiai intriguojančio klausimo – gyvybės atsiradimo Žemėje proceso. Mokslininkai teigia, kad gyvybė mūsų planetoje atsirado labai anksti. Manoma, ji galėjo gimti netgi ne vieną kartą. Formuojasi nuomonė, kad gyvybė atsiranda labai lengvai. Jai pakanka minimalių sąlygų ir komponentų – kai kurių cheminių elementų, neitin sudėtingų molekulių. Ar tokios kalbos turi pagrindo? Norėtųsi paklausti geologų, ar šiuolaikiniais metodais įmanoma patikimai nustatyti pačios primityviausios gyvybės egzistavimą prieš kelis milijardus metų? Arba, kitaip sakant, kokie netiesioginiai požymiai liudija gyvybę?

G. Motuza: Mes nežinome nei kada, nei kaip atsirado gyvybė. Nei kur ji atsirado, Žemėje ar kosmose. Bet jau labai senose, seniausiose žemės uolienose randame netiesioginių gyvybės požymių.  Pirmieji organizmai buvo mikroskopiniai: bakterijos arba archėjos. Taigi, vienaląsčiai organizmai. Tos uolienos, kuriose jie galėjo išlikti – nuosėdinės arba vulkaninės. Jos dažniausiai būna labai pakitusios, patyrusios aukštos temperatūros poveikį. Tai sunaikina pirminius organizmus. Tačiau yra netiesioginių, izotopinių metodų. Pavyzdžiui, galima analizuoti anglies sudėtų. Esmė ta, kad gyvi organizmai mėgsta lengvą anglies izotopą C12. Tuo tarpu yra ir kitas izotopas, kurio jie stengiasi įsisavinti mažiau. Taip yra todėl, kad C12 lengviau dalyvauja įvairiuose fiziologiniuose procesuose organizmo viduje. Štai kodėl anglis, susidaranti iš gyvų organizmų, turi daugiau lengvų anglies izotopų, negu aplinka. Pagal tai nustačius grafito trupinėlių, esančių senuose uolienuose, izotopinę sudėtį, galima pasakyti, kad šita anglis galėjo atsirasti kaip gyvų organizmų likutis.

Būtent tokios anglies, tokių grafito trupinėlių randama pačiose seniausiose nuosėdinėse uolienose. Grenlandijoje aptiktose uolienose, kurių amžius siekia net 3,9 mlrd. metų.

Skaičiai efektingi, tačiau šiuolaikinis skeptiškas žmogus turi teisę abejoti tokia informacija. Ar mokslininkai turi ką nors labiau apčiuopiamo? Kokie dar netiesioginiai požymiai galėtų geologams paliudyti gyvybės egzistavimą seniausiais laikais?

G. Motuza: Tokie požymiai yra stromatolitai. Tai labai įdomūs karbonatiniai dariniai. Dideli gurvuoliai, augantys  vandenynų dugne, seklumose. Ten, kur dugne įsikuria bakterijų kolonijos. Bakterijos sukuria tokią geocheminę aplinką, kad tose vietose karbonatai iš jūros vandens sėda sparčiau. Kur yra bakterijų kolonijos, ten auga stromatolitai. Jie aptinkami jau 3,5 mlrd. metų amžiaus uolienose PAR, Niufaundlende, Australijoje. Įdomu, kad stromatolitų yra ir dabar. Tai ne organizmų liekanos, bet juose randama šiokių tokių ant jų gyvenusių bakterijų požymių. Tai dariniai, atsiradę dėl gyvų organizmų veiklos.

Seniausia gyvybė

Visa gyvybė veikia panašiai. Ji gyvena, keisdamasi su aplinka įvairiomis medžiagomis ir energija. Gyvi organizmai kaupia tam tikras medžiagas, energiją ir dauginasi. Tai svarbiausi požymiai, kurie apibrėžia gyvybę. Gamtoje yra kitokių darinių, panašių į gyvybę. Tai mineralai, kristalai, kurie augdami irgi kuria struktūras, panašias į save. Juose irgi vyksta medžiagų apykaita su aplinka. Bet gyvi organizmai turi didesnį tų ypatybių rinkinį. Kokius pačius seniausius organizmus geologams pavyko rasti?

G. Motuza: Patys seniausi organizmai – bakterijų liekanos, kurios išlaikė savo organizmo pavidalą ir sandaros elementus, surastos Australijoje 3,48 mlrd. amžiaus uolienose. Tačiau dėl jų dar ginčijamasi. Tie dariniai panašūs ir į kai kurių nebiologinių procesų suformuotus darinius.

Tačiau 3,2 mlrd. metų amžiaus uolienose Pietų Afrikos respublikoje jau yra darinių,  kurie neabejotinai laikomi gyvų organizmų, bakterijų arba archėjų liekanomis. Mikroskopiniai dariniai, primenantys bakterijų ląsteles. Pirmieji organizmai, kaip minėta, buvo vienaląsčiai. Vėliau jie pradėjo burtis į kolonijas. Taip sudarė vadinami bakterijų kilimėliai. Archėjaus laikotarpiu jie dengė visą vandenyno dugną. Bent tose vietose, kur pasiekdavo saulės šviesa. Tokių kilimėlių liekanos randamos 3,5 mlrd. metų amžiaus uolienose.

Gyvybei atsirasti ir vystytis reikia tam tikrų sąlygų. Tinkamos temperatūros, įvairių cheminių medžiagų, ne perdaug intensyvaus ultravioletinio saulės spinduliavimo ir pan. Mums pasisekė, kad Žemė sukasi tokioje orbitoje, kur sąlygos gyvybei atsirasti yra pačios palankiausios, netgi optimalios. Tarpžvaigždinėje gyvybės juostoje. Anksčiau ta juosta galėjo apimti ir Marso orbitą.

G. Motuza: Svarbu žinoti, kokia aplinka buvo žemėje. Pastaruoju metu geologai gavo duomenų, kad vandenynas Žemėje galėjo tyvuliuoti jau prieš 4,4 mlrd. metų. Praėjus vos daugiau kaip 100 mln. metų nuo Žemės atsiradimo. Taigi, labai anksti. O jeigu yra skystas vanduo, toje terpėje gali atsirasti gyvybė. Vandenyje buvo organinės medžiagos. Ji galėjo atsirasti pačioje Žemėje. Labai sudėtingi organiniai junginiai galėjo būti atnešti iš kosmoso. Jų galėjo būti kometų branduoliuose, kurios kartu atnešė ir vandens. Organinių molekulių yra anglinguose chondrituose. Tai vadinama prebiotinėmis molekulėmis, pusfabrikačiais, iš kurių galėjo susidaryti sudėtingesni organiniai junginiai. Sąlygos atsirasti gyvybei Žemėje galėjo susiformuoti labai anksti.

Daugybė mokslininkų, genami smalsumo ir konkuruodami vienas su kitu, per šimtmečius surinko daugybę informacijos apie Žemės plutos sandarą, uolienų savybes, jose vykstančius cheminius bei fizikinius procesus. Jie sukūrė ne vieną gudrų metodą. Dabar ta informacija, geologiniai žemėlapiai tapo prieinami visiems. Praėjusiais metais internete pradėjo veikti tarptautinė geologinių duomenų bazė – OneGeology. Beveik šimto valstybių mokslininkai čia dalijasi sukaupta informacija apie uolienas. 

Žemė kaip metraštis

Žemės evoliucijos istorija įrašyta uolienose. Geologijoje yra sąvoka – uolienų atmintis. Jos prisimena, kas su jomis vyko, kaip jos susidarė. Ką pergyveno po to. Ta atmintis yra įvairaus pavidalo. Mineralinė, geocheminė. Organinės liekanos užsifiksuoja uolienose, kurių amžius matuojamas milijardais metų.

Pavyzdžiui, gyvų organizmų buvimą liudija ir juostuotos uolienos – geležingi kvarcitai arba džespilitai. Tai geležies rūda, kurią naudoja mūsų civilizacija. Tos uolienos susidarė tuo metu, kai Žemės atmosferoje nebuvo deguonies. Nepilnai oksiduoti geležies junginiai buvo tirpūs. Vandenynuose juos nusodindavo organizmai, kurie išskirdavo savo aplinkoje deguonį. Deguonis jiems patiems kenkė. Bet išsiskyręs deguonis surišdavo arba oksiduodavo geležies junginius ir jie nusėsdavo vandenynų dugne plonais sluoksneliais. Tokių džespilitų randama seniausiosiose nuosėdinėse storymėse. Pavyzdžiui, Grenlandijoje, kurių amžius siekia 3,9 mlrd. metų. Taigi, pačiose seniausiose uolienose randama patikimų požymių, kad gyvybė buvo.

Nepaisant išradingų mokslinių metodų, dar negalime pasakyti ar nustatyti, kada mūsų planetoje atsirado gyvybė. Tačiau toks ankstyvas pirmųjų gyvų organizmų atsiradimas verčia manyti, kad Žemės istorijoje gyvybė buvo beveik visada. Tačiau ji nuolat kito, palikdama pėdsakus, kurių ieško geologai, paleontologai, archeologai. Svarbiausias Žmonijos uždavinys šiuo metu – ne įminti šią mįslę, bet patiems išvengti fosilijų likimo.