Az élet a „pangó köpenyből” keletkezett, nem a lemeztektonikából

A lemeztektonika magában foglalja a vízszintes mozgást és a nagy lemezek közötti kölcsönhatást a Föld felszínén. Az új kutatások azt mutatják, hogy mozgó lemeztektonika – amelyről úgy gondolják, hogy egy lakható bolygó létrehozásához szükséges – az elmúlt 3,9 milliárd évben nem fordult elő a Földön. Köszönetnyilvánítás: University of Rochester Photography/Michael Osadcio

A Rochesteri Egyetem cirkon kristályokat használó tanulmánya megállapította, hogy a tektonikus lemezek inaktívak voltak abban az időszakban, amikor az élet először megjelent a Földön. Ehelyett egy „stagnáló sapka” mechanizmus működött, amely a felületi repedéseken keresztül hőt bocsátott ki. Ez a felfedezés megkérdőjelezi azt a hagyományos hiedelmet, hogy a lemeztektonika nélkülözhetetlen az élet keletkezéséhez, és potenciálisan átformálja a más bolygókon való élethez szükséges feltételekről alkotott felfogásunkat.

A tudósok visszautaztak az időben, hogy megfejtsék a Föld korai történelmének titkait, és apró ásványi kristályokat, úgynevezett cirkonokat használnak a lemeztektonika több milliárd évvel ezelőtti tanulmányozására. A kutatás rávilágít a korai Föld körülményeire, feltárva a földkéreg, a földmag és az élet megjelenése közötti összetett kölcsönhatást.

A lemeztektonika lehetővé teszi, hogy a Föld belsejéből a hő a felszínre kerüljön, így kialakulnak az élet kialakulásához szükséges kontinensek és egyéb geológiai jellemzők. Ennek megfelelően „volt egy olyan feltételezés, hogy a lemeztektonika elengedhetetlen az élethez” – mondja John Tarduno, a Rochesteri Egyetem Föld- és Környezettudományi Tanszékének professzora. Az új kutatás azonban megkérdőjelezi ezt a feltételezést.

Tarduno, a William R. geofizika professzora. Keenan Jr., aki a folyóiratban megjelent cikk vezető szerzője. természet Tanulmányozza a lemeztektonikát 3,9 milliárd évvel ezelőtt, amikor a tudósok úgy vélik, hogy az élet első nyomai megjelentek a Földön. A kutatók azt találták, hogy ez idő alatt nem történt mozgó tektonikus lemezmozgás. Ehelyett felfedezték, hogy a Föld hőt bocsát ki az úgynevezett stagnáló köpenyrendszeren keresztül. Az eredmények azt mutatják, hogy bár a lemeztektonika kulcsfontosságú tényező a földi élet fennmaradásához, nem feltétele az élet kialakulásának egy Föld-szerű bolygón.

„Azt találtuk, hogy nem létezett lemeztektonika, amikor először azt hitték, hogy az élet keletkezik, és ezt követően több száz millió évig nem volt lemeztektonika” – mondja Tarduno. „Adataink azt sugallják, hogy amikor életet rejtő exobolygókat keresünk, a bolygóknak nem feltétlenül van szükségük lemeztektonikára.”

Váratlan fordulat a cirkon tanulmányból

A kutatók eredetileg nem a lemeztektonika tanulmányozását tűzték ki célul.

„A cirkonok mágnesezettségét tanulmányoztuk, mert a Föld mágneses terét tanulmányoztuk” – mondja Tarduno.

A cirkonok apró kristályok, amelyek olyan mágneses részecskéket tartalmaznak, amelyek a cirkon keletkezésekor felfoghatják a Föld mágnesezettségét. A cirkonok keltezésével a kutatók létrehozhatnak egy idővonalat a Föld mágneses mezejének evolúciójának nyomon követésére.

A Föld mágneses mezejének erőssége és iránya a szélességtől függően változik. Például az áram mágneses mezője erősebb a pólusokon és gyengébb az egyenlítőn. A cirkóniumok mágneses tulajdonságaira vonatkozó információkkal felvértezve a tudósok következtethetnek a cirkóniumok keletkezésének relatív szélességi fokára. Vagyis ha a geodinamó – a mágneses teret létrehozó folyamat – hatékonysága állandó, és a térerősség egy perióduson keresztül változik, akkor a cirkonok képződésének szélességi fokának is változnia kell.

Tarduno és csapata azonban ennek az ellenkezőjét fedezte fel: a Dél-Afrikából tanulmányozott cirkonok azt mutatták, hogy körülbelül 3,9-3,4 milliárd évvel ezelőtt a mágneses térerősség nem változott, ami azt jelenti, hogy a szélességi fokok sem változtak.

Mivel a lemeztektonika magában foglalja a szélességi változásokat a különböző szárazföldi tömegeknél, Tarduno szerint „valószínű, hogy a lemeztektonikai mozgások nem fordultak elő ezalatt az idő alatt, és más módon kell eltávolítani a hőt a Földről.”

Eredményeik megerősítése érdekében a kutatók ugyanazokat a mintákat találták cirkonban, mint amit Nyugat-Ausztráliában vizsgáltak.

„Nem azt állítjuk, hogy a cirkonok ugyanazon a kontinensen keletkeztek, de úgy tűnik, hogy ugyanazon a változatlan szélességi fokon alakultak ki, ami megerősíti azt az érvünket, hogy ebben az időben nem volt lemeztektonikai mozgás” – mondja Tarduno.

Stagnáló sapkatektonika: a lemeztektonika alternatívája

A Föld egy hőmotor, és a lemeztektonika végső soron a Föld hőleadása. De a köpeny tektonikus stagnálása – ami repedéseket eredményez a Föld felszínén – egy másik módja annak, hogy lehetővé tegyük a hő távozását a bolygó belsejéből, hogy kontinenseket és más geológiai jellemzőket képezzenek.

A lemeztektonika magában foglalja a vízszintes mozgást és a nagy lemezek közötti kölcsönhatást a Föld felszínén. Tarduno és munkatársai arról számolnak be, hogy az elmúlt 600 millió év lemezei átlagosan legalább 8500 kilométert (5280 mérföldet) mozdultak el a szélességi körön belül. Ezzel szemben a pangó köpeny tektonika azt írja le, hogy a Föld legkülső rétege hogyan viselkedik stagnáló köpenyként, aktív vízszintes lemezmozgás nélkül. Ehelyett a külső réteg a helyén marad, amíg a bolygó belseje lehűl. A Föld belsejében mélyen felszálló nagy mennyiségű olvadt anyag a külső réteg megrepedését okozhatja. A pangó köpenytektonikai mozgás nem olyan hatékonyan engedi el a hőt a Föld köpenyéből, mint a tektonikus lemezmozgás, de mégis a kontinensek kialakulásához vezet.

„A korai Föld nem volt olyan bolygó, ahol minden halott volt a felszínen” – mondja Tarduno. Még mindig történtek dolgok a föld felszínén; Kutatásunk azt mutatja, hogy ezek nem a lemeztektonikán keresztül fordultak elő. Legalább annyi geokémiai körforgásunk volt, amelyet a pangósapkás folyamatok biztosítottak ahhoz, hogy az élet keletkezésének megfelelő körülményeket teremtsünk.”

A lakható bolygó megőrzése

Míg a Föld az egyetlen ismert bolygó, amelyen lemeztektonika tapasztalható, más bolygók, mint pl[{” 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.