Przywykliśmy

sądzić, że w ciągu pierwszych 500-600 mln lat nasza planeta była z wierzchu piekielnie gorąca i pokryta płynną magmą. Przypominała wnętrze pieca hutniczego, gdzie żaden żywy organizm nie miałby szans na przetrwanie. Temperatura, początkowo sięgająca nawet kilku tysięcy stopni Celsjusza, spadała powolutku. Dopiero około 4 mld lat temu powierzchnia Ziemi ochłodziła się na tyle, że mogła się na niej pojawić niezbędna do życia woda.

Geolodzy, szukając odpowiedniego określenia na tę gorącą fazę w dziejach planety, wymyślili nawet termin Hadean, zainspirowani wizją mitologicznego Hadesu. Jak jednak było naprawdę, wciąż nie wiemy. Krążyły domysły, oparte na teoretycznych rozważaniach, a nie hipotezy podparte konkretnymi faktami. Założono po prostu, że skoro najstarsze znalezione skały mają około 4 mld lat, a pierwsze skąpe ślady życia, jakie zdołaliśmy odkryć, liczą 3,7-3,8 mld lat, to jest tak zapewne dlatego, że powierzchnia Ziemi była wcześniej zbyt gorąca, aby mogły na niej zastygnąć skały i utworzyć się zbiorniki wody.

Jednak

od paru lat naukowcy dostarczają frapujących danych, które wskazują, że ziemski glob ostygł o wiele wcześniej, niż sądzono. Hadesowe królestwo trwało na Ziemi krótko i skończyło się już 4,4 mld lat temu. Upłynęło zatem zaledwie 200 mln lat od powstania planety, a już falowały na niej morza, z których wynurzyły się pierwsze lądy, niszczone przez deszcze i wiatry.

Ziemia w okresie niemowlęcym przypominała więc glob z naszych czasów. Oczywiście różniła się od dzisiejszego, na przykład składem atmosfery, ale najważniejsze jest to, że była dość chłodna i - jak obecnie - osłonięta warstwą lekkich, sztywnych skał, ponad którymi szumiał ocean. Jeśli rzeczywiście już przed 4,4 mld lat środowisko naturalne planety składało się z trzech głównych elementów: litosfery (skały), hydrosfery (woda) i atmosfery, oznacza to, że już wtedy mogło sprzyjać rozwojowi życia. Było jak dom czekający na mieszkańców. Czy to możliwe, aby pojawiali się oni dopiero pół miliarda lat później?

Wszystkie te badania z ostatnich lat odmieniające nasze wyobrażenia o wczesnej Ziemi stały się możliwe dzięki uzyskaniu dostępu do niezwykłego archiwum danych o młodej planecie. Nieoczekiwanie okazały się nim maleńkie kryształki minerału cyrkonu, które wiele lat temu odnaleziono w skałach w Australii Zachodniej.

Cyrkony to twardziele wśród minerałów. Kiedy już się narodzą w skałach w głębi Ziemi, niezwykle trudno je zniszczyć. Są trwalsze niż skały, w skład których wchodzą. Zniesione na dna mórz, uczestniczą w powstawaniu kolejnych skał. Badający je naukowcy z pewną przesadą, ale też fascynacją mówią o nich, że są wieczne. Duże kryształy cyrkonu o atrakcyjnej formie i zabarwieniu są cenione przez jubilerów, lecz te najmniejsze, ocalałe na australijskich pustkowiach, choć ledwo widoczne gołym okiem, są dla geologów po prostu bezcenne. Stanowią bowiem jedyne źródło wiedzy o Ziemi z pierwszych 500 mln lat. Jest to wiedza bardzo fragmentaryczna i oparta na poszlakach, ale lepsze to niż nic.

Biorąc pod uwagę małe rozmiary odnalezionych minerałów - zwykle nie przekraczają one 0,3 mm średnicy - zdumiewa, jak wiele wartościowych danych udało się z nich wydobyć. To zasługa nowych technik badawczych upodabniających pracę naukową do detektywistycznej. Dzięki nim śledztwo w sprawie wyglądu młodziutkiej Ziemi nabrało ostatnio tempa.

Zaczęło się w latach 80., kiedy to grupa australijskich geologów, kierowana przez Roberta Pidgeona i Simona Wilde'a z Curtin University of Technology w Perth, penetrując pasmo wzgórz Jack Hills około 800 km na północ od Perth, zabrała do analiz kawałki skał liczących około 3 mld lat. Australia Zachodnia jest jednym z niewielu miejsc na Ziemi, gdzie odsłaniają się tak archaiczne formacje skalne. Ocalał tu fragment prastarego kontynentu. Takich matuzalemów, zwanych kratonami, jest na planecie niewiele: południowa Afryka, wschodnia Europa, fragment zachodniej Kanady (tu znajdują się gnejsy Acasta liczące 4 mld lat, najstarsze znane skały na Ziemi), wreszcie Grenlandia (ze skałami Isua, młodszymi o 200 mln lat od kanadyjskich). Takie obszary, choć przeważnie mało dostępne, to raj dla geologów - dają możliwość wglądu w odległe dzieje Ziemi, ponadto są skarbcem pełnym cennych surowców, ze złotem na czele.

Dwie dekady temu australijscy badacze wysłali bryły skalne do laboratorium Williama Compstona w Australian National University w Canberze. Ten oglądał cyrkony pod mikroskopem elektronowym, wybierał najbardziej obiecujące, ciął je i szlifował, a następnie wygładzoną ścianę każdego kryształku bombardował wiązką jonów za pomocą urządzenia zwanego mikrosondą jonową. Każde takie bombardowanie wyrywało z sieci krystalicznej cyrkonu porcję atomów. To radykalne postępowanie służyło określeniu wieku znalezisk.

Wielką

zaletą kryształków cyrkonu jest to, że kryją one w sobie precyzyjny zegar geologiczny. Minerał ma wzór chemiczny ZrSiO4, składa się zatem głównie z atomów krzemu, tlenu i cyrkonu. Ale zawiera też śladowe ilości innych pierwiastków, w tym uranu, który w wyniku rozpadu promieniotwórczego zamienia się w ołów. Naukowcy znają tempo tej przemiany, jeśli więc uda im się określić proporcję atomów obu pierwiastków, mogą poznać wiek cyrkonu. Okazało się, że niektóre bombardowane przez Compstona drobiny, które podesłali mu Pidgeon i Wilde, miały aż 4,3 mld lat!

Naukowcy przecierali oczy ze zdumienia, kiedy zobaczyli ten wynik. Nawet cyrkony nie przetrwałyby przecież długo w potokach magmy kipiącej na powierzchni planety. Czyżby zatem - zastanawiali się - na wczesnej Ziemi istniały jakieś zastygłe skały? To jednak oznaczałoby, że temperatura na planecie była wtedy znacznie niższa, niż do tej pory sądzono. Australijczycy jako pierwsi zwrócili na to uwagę.

O dziwo, to odkrycie nie odbiło się na świecie takim echem, na jakie zasługiwało. Mnożono wątpliwości. Wzruszano ramionami: to tylko pojedyncze minerały, a czego można się dowiedzieć o dawnym świecie z takich okruszyn? Tyle co nic - mówiono. Rzeczywiście, dla geologów znacznie cenniejsze są skały, które mówią dużo o środowisku, w którym powstawały. Australijskie cyrkony, owszem, tkwią w skale, lecz młodszej od nich o miliard lat. Minerały weszły w jej skład długo po tym, jak rozpadła się ich skała macierzysta. Mają więc za sobą co najmniej jeden wtórny obieg. To też budziło wątpliwości, bo nie wiadomo, co działo się z cyrkonami podczas tego geologicznego recyklingu. Co innego, gdyby odnaleziono macierzystą skałę, tę sprzed 4,3 mld lat! Byłaby to sensacja. Jej poszukiwania wciąż trwają, na razie bez powodzenia.

W 1999 r. Simon Wilde otrzymał list z propozycją współpracy od Johna Valleya, profesora University of Wisconsin-Madison (USA). Australijczyk miał oznaczyć wiek kilkudziesięciu kolejnych drobin, a następnie udostępnić je do dalszych testów Amerykaninowi, którego interesowały w cyrkonach atomy tlenu. Minerały oszlifowano, zbombardowano i datowano. Jeden z nich był rekordowo stary - miał aż 4,4 mld lat. Jego właśnie z kilkunastoma innymi, niewiele młodszymi, wysłano najpierw do Wisconsin, a następnie na dodatkowe badania do Edynburga.

Strzelając do cyrkonów z mikrosondy jonowej, Valley i jego współpracownicy łapali atomy tlenu i liczyli, ile z nich ma dwa dodatkowe neutrony (izotop 180). Spodziewali się wyniku typowego dla skał powstałych z magmy krążącej w głębi Ziemi, tymczasem cyrkony mówiły, że materiał, z którego się wytopiły, miał wcześniej kontakt z wodą na powierzchni planety. Skąd woda na Ziemi liczącej wówczas 200 mln lat?

Valley był tak zaskoczony wynikami pomiarów, że powtarzał je przez rok, a rezultaty zdecydował się opublikować dopiero wtedy, gdy potwierdziła je druga grupa pracująca na University of California w Los Angeles, której członkiem był jego kolega Robert Pidgeon. Kiedy w 2001 r. obie prace wydrukował razem tygodnik "Nature", zainteresowanie cyrkonami znacznie wzrosło. A gdy okazało się, że jednak można dowiedzieć się z nich czegoś więcej, do Australijczyków zaczęli się zgłaszać kolejni naukowcy po porcję minerałów do analiz.

Nawet

w najmniejszym cyrkonie są bowiem domieszki innych pierwiastków, a każdy ma coś do opowiedzenia o dawnych dziejach Ziemi. Znaleziono na przykład atomy hafnu, neodymu i cezu, których analizy sugerowały, że cyrkony z Jack Hills narodziły się blisko powierzchni planety w skałach tworzących skorupę ziemską. Odkryto też wtrącenia kwarcu - minerału typowego dla skał granitowych budujących kontynenty. Bruce Watson z Rensselaer Polytechnic Institute (USA) i Marc Harrison z Australian National University badając trzy lata temu uwięziony w cyrkonach tytan doszli do wniosku, że ma on cechy typowe dla skał typu kontynentalnego.