Życie powstało z „stojącego płaszcza”, a nie z tektoniki płyt

Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie w Rochester przy użyciu kryształów cyrkonu wykazało, że płyty tektoniczne były nieaktywne w okresie, gdy po raz pierwszy pojawiło się życie na Ziemi. Zamiast tego działał mechanizm „stojącej czapki”, uwalniający ciepło przez pęknięcia powierzchniowe. To odkrycie podważa tradycyjne przekonanie, że tektonika płyt jest niezbędna do powstania życia i potencjalnie zmienia nasze rozumienie warunków wymaganych do życia na innych planetach.

Naukowcy wybrali się w podróż w czasie, aby rozwikłać tajemnice wczesnej historii Ziemi, używając maleńkich kryształów mineralnych zwanych cyrkoniami do badania tektoniki płyt sprzed miliardów lat. Badania rzucają światło na warunki panujące na wczesnej Ziemi, ujawniając złożoną interakcję między skorupą ziemską, jądrem i pojawieniem się życia.

Tektonika płyt umożliwia ucieczkę ciepła z wnętrza Ziemi na powierzchnię, tworząc kontynenty i inne formacje geologiczne potrzebne do powstania życia. W związku z tym „było założenie, że tektonika płyt jest niezbędna do życia” – mówi John Tarduno, profesor na Wydziale Nauk o Ziemi i Środowisku na Uniwersytecie w Rochester. Ale nowe badania podają w wątpliwość to założenie.

Tarduno, profesor geofizyki w William R. Keenan Jr., który jest głównym autorem artykułu opublikowanego w czasopiśmie. Natura Zbadaj tektonikę płyt 3,9 miliarda lat temu, kiedy naukowcy uważają, że na Ziemi pojawiły się pierwsze ślady życia. Naukowcy odkryli, że w tym czasie nie wystąpił ruch ruchomych płyt tektonicznych. Zamiast tego odkryli, że Ziemia uwalnia ciepło poprzez tak zwany stagnacyjny system płaszcza. Wyniki wskazują, że chociaż tektonika płyt jest kluczowym czynnikiem dla kontynuacji życia na Ziemi, to nie jest warunkiem powstania życia na planecie podobnej do Ziemi.

„Odkryliśmy, że nie było tektoniki płyt, gdy po raz pierwszy sądzono, że powstało życie, i nie było jej przez setki milionów lat później” – mówi Tarduno. „Nasze dane sugerują, że kiedy szukamy egzoplanet zawierających życie, planety niekoniecznie potrzebują tektoniki płyt”.

Niespodziewany zwrot z cyrkonowego studium

Badacze początkowo nie zamierzali badać tektoniki płyt.

„Badaliśmy magnetyzację cyrkonów, ponieważ badaliśmy pole magnetyczne Ziemi” – mówi Tarduno.

Cyrkonie to maleńkie kryształki zawierające cząsteczki magnetyczne, które mogą uwięzić namagnesowanie Ziemi w czasie, gdy powstały cyrkonie. Datując cyrkonie, naukowcy mogą stworzyć oś czasu, aby śledzić ewolucję ziemskiego pola magnetycznego.

Siła i kierunek ziemskiego pola magnetycznego zmienia się w zależności od szerokości geograficznej. Na przykład obecne pole magnetyczne jest silniejsze na biegunach i słabsze na równiku. Uzbrojeni w informacje o właściwościach magnetycznych cyrkonów, naukowcy mogą wywnioskować, na jakich względnych szerokościach geograficznych powstały cyrkonie. Oznacza to, że jeśli wydajność geodynamo – procesu generującego pole magnetyczne – jest stała, a natężenie pola zmienia się w pewnym okresie, to szerokość geograficzna, na której powstały cyrkonie, również musi się zmienić.

Ale Tarduno i jego zespół odkryli coś przeciwnego: badane przez nich cyrkonie z Republiki Południowej Afryki wskazywały, że od około 3,9 do 3,4 miliarda lat temu siła pola magnetycznego nie zmieniła się, co oznacza, że ​​szerokości geograficzne również się nie zmieniły.

Ponieważ tektonika płyt obejmuje zmiany szerokości geograficznej dla różnych mas lądowych, Tarduno mówi: „prawdopodobnie ruchy tektoniczne płyt nie miały miejsca w tym czasie i musi istnieć jakiś inny sposób usuwania ciepła z Ziemi”.

Aby wzmocnić swoje odkrycia, naukowcy odkryli te same wzory w cyrkoniach, które badali w Zachodniej Australii.

„Nie twierdzimy, że cyrkonie powstały na tym samym kontynencie, ale wydaje się, że powstały na tej samej niezmiennej szerokości geograficznej, co wzmacnia nasz argument, że w tym czasie nie było ruchu tektoniki płyt” – mówi Tarduno.

Stojąca tektonika czap: alternatywa dla tektoniki płyt

Ziemia jest silnikiem cieplnym, a tektonika płyt jest ostatecznie uwalnianiem ciepła z Ziemi. Ale stagnacja tektoniczna płaszcza – która powoduje pęknięcia na powierzchni Ziemi – jest kolejnym sposobem na ucieczkę ciepła z wnętrza planety w celu utworzenia kontynentów i innych struktur geologicznych.

Tektonika płyt obejmuje ruch poziomy i interakcję między dużymi płytami na powierzchni Ziemi. Tarduno i jego współpracownicy donoszą, że średnio płyty z ostatnich 600 milionów lat przesunęły się o co najmniej 8500 kilometrów (5280 mil) szerokości geograficznej. W przeciwieństwie do tego, tektonika stojącego płaszcza opisuje, w jaki sposób najbardziej zewnętrzna warstwa Ziemi zachowuje się jak stojący płaszcz, bez aktywnego poziomego ruchu płyt. Zamiast tego zewnętrzna warstwa pozostaje na miejscu, podczas gdy wnętrze planety się ochładza. Duże pióropusze stopionego materiału wznoszące się głęboko we wnętrzu Ziemi mogą powodować pękanie zewnętrznej warstwy. Stojący ruch tektoniki płaszcza nie jest tak skuteczny jak ruch płyt tektonicznych w uwalnianiu ciepła z płaszcza Ziemi, ale nadal prowadzi do powstawania kontynentów.

„Wczesna Ziemia nie była planetą, na której wszystko było martwe na powierzchni” – mówi Tarduno. Na powierzchni ziemi wciąż coś się działo; Nasze badania wskazują, że nie powstały one w wyniku tektoniki płyt. Mieliśmy przynajmniej wystarczająco dużo cykli geochemicznych zapewnianych przez stagnację procesów czapowych, aby stworzyć warunki odpowiednie do powstania życia”.

Ochrona planety nadającej się do zamieszkania

Podczas gdy Ziemia jest jedyną znaną planetą, na której występują tektoniki płyt, inne planety, takie jak[{” attribute=””>Venus, experience stagnant lid tectonics, Tarduno says.

“People have tended to think that stagnant lid tectonics would not build a habitable planet because of what is happening on Venus,” he says. “Venus is not a very nice place to live: it has a crushing carbon dioxide atmosphere and sulfuric acid clouds. This is because heat is not being removed effectively from the planet’s surface.”

Without plate tectonics, Earth may have met a similar fate. While the researchers hint that plate tectonics may have started on Earth soon after 3.4 billion years, the geology community is divided on a specific date.

“We think plate tectonics, in the long run, is important for removing heat, generating the magnetic field, and keeping things habitable on our planet,” Tarduno says. “But, in the beginning, and a billion years after, our data indicates that we didn’t need plate tectonics.”

Reference: “Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism” by John A. Tarduno, Rory D. Cottrell, Richard K. Bono, Nicole Rayner, William J. Davis, Tinghong Zhou, Francis Nimmo, Axel Hofmann, Jaganmoy Jodder, Mauricio Ibañez-Mejia, Michael K. Watkeys, Hirokuni Oda and Gautam Mitra, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06024-5

The team included researchers from four US institutions and institutions in Canada, Japan, South Africa, and the United Kingdom. The research was funded by the US National Science Foundation.