Het leven is ontstaan ​​uit “stilstaande mantel”, niet uit platentektoniek

Platentektoniek omvat de horizontale beweging en interactie tussen grote platen op het aardoppervlak. Nieuw onderzoek geeft aan dat bewegende platentektoniek – waarvan men denkt dat ze nodig zijn om een ​​bewoonbare planeet te creëren – de afgelopen 3,9 miljard jaar niet op aarde heeft plaatsgevonden. Credits: University of Rochester Photography/Michael Osadcio

Een studie van de Universiteit van Rochester, waarbij gebruik werd gemaakt van zirkoonkristallen, ontdekte dat tektonische platen inactief waren in de periode dat het leven voor het eerst op aarde verscheen. In plaats daarvan was er een “stilstaande dop” -mechanisme in werking, waardoor warmte vrijkwam via oppervlaktescheuren. Deze ontdekking daagt de traditionele overtuiging uit dat platentektoniek essentieel is voor het ontstaan ​​van leven, en kan ons begrip van de voorwaarden die nodig zijn voor leven op andere planeten mogelijk opnieuw vormgeven.

Wetenschappers hebben een reis terug in de tijd gemaakt om de mysteries van de vroege geschiedenis van de aarde te ontrafelen, met behulp van kleine minerale kristallen, zirkonen genaamd, om platentektoniek miljarden jaren geleden te bestuderen. Het onderzoek werpt licht op de omstandigheden die bestonden in de vroege aarde en onthulde een complexe interactie tussen de aardkorst, de kern en het ontstaan ​​van leven.

Door platentektoniek kan warmte uit het binnenste van de aarde ontsnappen naar de oppervlakte, waardoor de continenten en andere geologische kenmerken worden gevormd die nodig zijn voor het ontstaan ​​van leven. Dienovereenkomstig “was er een aanname dat platentektoniek essentieel is voor het leven”, zegt John Tarduno, een professor aan de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen aan de Universiteit van Rochester. Maar nieuw onderzoek trekt deze veronderstelling in twijfel.

Tarduno, hoogleraar geofysica aan de William R. Keenan Jr., de hoofdauteur van een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd. natuur Bestudeer platentektoniek 3,9 miljard jaar geleden, toen wetenschappers dachten dat de eerste sporen van leven op aarde verschenen. De onderzoekers ontdekten dat er gedurende deze tijd geen beweging van mobiele tektonische platen plaatsvond. In plaats daarvan ontdekten ze dat de aarde warmte afgeeft via wat bekend staat als een stilstaand mantelsysteem. De resultaten geven aan dat hoewel platentektoniek een sleutelfactor is voor het voortbestaan ​​van het leven op aarde, het geen voorwaarde is voor het ontstaan ​​van leven op een aardachtige planeet.

“We ontdekten dat er geen platentektoniek was toen men voor het eerst dacht dat er leven was, en dat er daarna honderden miljoenen jaren geen platentektoniek was”, zegt Tarduno. “Onze gegevens suggereren dat wanneer we op zoek zijn naar exoplaneten die leven herbergen, planeten niet per se platentektoniek nodig hebben.”

Een onverwachte wending van het zirkoononderzoek

Onderzoekers waren oorspronkelijk niet van plan platentektoniek te bestuderen.

“We bestudeerden de magnetisatie van zirkonen omdat we het magnetische veld van de aarde bestudeerden”, zegt Tarduno.

Zirkonen zijn kleine kristallen die magnetische deeltjes bevatten die de magnetisatie van de aarde kunnen vasthouden op het moment dat de zirkonen werden gevormd. Door de zirkonen te dateren, kunnen onderzoekers een tijdlijn maken om de evolutie van het aardmagnetisch veld te volgen.

De sterkte en richting van het magnetische veld van de aarde verandert afhankelijk van de breedtegraad. Het huidige magnetische veld is bijvoorbeeld sterker aan de polen en zwakker aan de evenaar. Gewapend met informatie over de magnetische eigenschappen van zirkonen, kunnen wetenschappers de relatieve breedtegraden afleiden waarop de zirkonen gevormd zijn. Dat wil zeggen, als de efficiëntie van de geodynamo – het proces dat het magnetische veld genereert – constant is en de veldsterkte verandert over een periode, dan moet de breedtegraad waarop de zirkonen gevormd zijn ook veranderen.

Maar Tarduno en zijn team ontdekten het tegenovergestelde: de zirkonen die ze uit Zuid-Afrika bestudeerden, gaven aan dat van ongeveer 3,9 tot 3,4 miljard jaar geleden de magnetische veldsterkte niet veranderde, wat betekent dat de breedtegraden ook niet veranderden.

Omdat platentektoniek veranderingen in de breedtegraad voor verschillende landmassa’s met zich meebrengt, zegt Tarduno, “is het waarschijnlijk dat er gedurende deze tijd geen bewegingen van de platentektoniek hebben plaatsgevonden en dat er een andere manier moet zijn om warmte van de aarde te verwijderen.”

Om hun bevindingen te versterken, vonden de onderzoekers dezelfde patronen in zirkonen die ze in West-Australië bestudeerden.

“We zeggen niet dat de zirkonen op hetzelfde continent zijn gevormd, maar ze lijken zich op dezelfde onveranderlijke breedtegraad te hebben gevormd, wat ons argument versterkt dat er op dat moment geen platentektoniek gaande was”, zegt Tarduno.

Stagnerende kaptektoniek: een alternatief voor platentektoniek

De aarde is een warmtemotor en platentektoniek is uiteindelijk de warmteafgifte van de aarde. Maar manteltektonische stagnatie – die scheuren in het aardoppervlak tot gevolg heeft – is een andere manier om warmte uit het binnenste van de planeet te laten ontsnappen om continenten en andere geologische kenmerken te vormen.

Platentektoniek omvat de horizontale beweging en interactie tussen grote platen op het aardoppervlak. Tarduno en zijn collega’s melden dat platen van de afgelopen 600 miljoen jaar gemiddeld minstens 8.500 kilometer (5.280 mijl) in breedtegraad zijn verplaatst. Stagnerende manteltektoniek daarentegen beschrijft hoe de buitenste laag van de aarde zich gedraagt ​​als een stilstaande mantel, zonder actieve horizontale plaatbeweging. In plaats daarvan blijft de buitenste laag op zijn plaats terwijl het binnenste van de planeet afkoelt. Grote pluimen van gesmolten materiaal die diep in het binnenste van de aarde opstijgen, kunnen breuken in de buitenste laag veroorzaken. De stagnerende beweging van de manteltektoniek is niet zo efficiënt als de beweging van de tektonische plaat bij het vrijgeven van warmte van de aardmantel, maar het leidt nog steeds tot de vorming van de continenten.

“De vroege aarde was geen planeet waarop alles dood was aan de oppervlakte”, zegt Tarduno. Er gebeurden nog steeds dingen op het aardoppervlak; Ons onderzoek geeft aan dat ze niet plaatsvonden door platentektoniek. We hadden in ieder geval genoeg van de geochemische cycli die worden geboden door stagnerende kapprocessen om omstandigheden te creëren die geschikt zijn voor het ontstaan ​​van leven.”

Het behoud van een bewoonbare planeet

Terwijl de aarde de enige bekende planeet is die platentektoniek ervaart, zijn andere planeten zoals[{” 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.