Η ζωή προέκυψε από «στάσιμο μανδύα», όχι από τεκτονικές πλάκες

Μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ, χρησιμοποιώντας κρυστάλλους ζιργκόν, διαπίστωσε ότι οι τεκτονικές πλάκες ήταν ανενεργές κατά την περίοδο που εμφανίστηκε για πρώτη φορά η ζωή στη Γη. Αντίθετα, λειτουργούσε ένας μηχανισμός «στάσιμου καπακιού», ο οποίος απελευθερώνει θερμότητα μέσω των επιφανειακών ρωγμών. Αυτή η ανακάλυψη αμφισβητεί την παραδοσιακή πεποίθηση ότι η τεκτονική των πλακών είναι απαραίτητη για την προέλευση της ζωής και δυνητικά αναδιαμορφώνει την κατανόησή μας για τις συνθήκες που απαιτούνται για τη ζωή σε άλλους πλανήτες.

Οι επιστήμονες έκαναν ένα ταξίδι πίσω στο χρόνο για να αποκαλύψουν τα μυστήρια της πρώιμης ιστορίας της Γης, χρησιμοποιώντας μικροσκοπικούς ορυκτούς κρυστάλλους που ονομάζονται ζιργκόν για να μελετήσουν την τεκτονική των πλακών πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Η έρευνα ρίχνει φως στις συνθήκες που υπήρχαν στην πρώιμη Γη, αποκαλύπτοντας μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ του φλοιού, του πυρήνα της Γης και της εμφάνισης της ζωής.

Η τεκτονική των πλακών επιτρέπει τη θερμότητα από το εσωτερικό της Γης να διαφύγει στην επιφάνεια, σχηματίζοντας τις ηπείρους και άλλα γεωλογικά χαρακτηριστικά που απαιτούνται για την εμφάνιση της ζωής. Κατά συνέπεια, «υπήρχε η υπόθεση ότι η τεκτονική των πλακών είναι απαραίτητη για τη ζωή», λέει ο John Tarduno, καθηγητής στο Τμήμα Επιστημών Γης και Περιβάλλοντος στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ. Αλλά νέα έρευνα θέτει υπό αμφισβήτηση αυτή την υπόθεση.

Tarduno, Καθηγητής Γεωφυσικής στο William R. Keenan Jr., ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας μιας εργασίας που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό. φύση Εξέταση τεκτονικών πλακών πριν από 3,9 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα πρώτα ίχνη ζωής εμφανίστηκαν στη Γη. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι κινητές τεκτονικές πλάκες δεν εμφανίζονταν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Αντίθετα, ανακάλυψαν, ότι η Γη απελευθερώνει θερμότητα μέσω αυτού που είναι γνωστό ως στάσιμο σύστημα μανδύα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αν και η τεκτονική των πλακών είναι βασικός παράγοντας για τη συνέχιση της ζωής στη Γη, δεν αποτελεί προϋπόθεση για την εμφάνιση ζωής σε έναν πλανήτη που μοιάζει με τη Γη.

«Διαπιστώσαμε ότι δεν υπήρχε τεκτονική πλακών όταν θεωρήθηκε ότι εμφανίστηκε για πρώτη φορά η ζωή και δεν υπήρχε τεκτονική πλακών για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά», λέει ο Tarduno. «Τα δεδομένα μας υποδηλώνουν ότι όταν ψάχνουμε για εξωπλανήτες που φιλοξενούν ζωή, οι πλανήτες δεν χρειάζονται απαραίτητα τεκτονικές πλακών».

Μια απροσδόκητη στροφή από τη μελέτη ζιργκόν

Οι ερευνητές δεν ξεκίνησαν αρχικά να μελετήσουν την τεκτονική των πλακών.

«Μελετούσαμε τη μαγνήτιση των ζιρκονίων επειδή μελετούσαμε το μαγνητικό πεδίο της Γης», λέει ο Tarduno.

Τα ζιρκόνια είναι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι που περιέχουν μαγνητικά σωματίδια που μπορούν να παγιδεύσουν τη μαγνήτιση της Γης τη στιγμή που σχηματίστηκαν τα ζιρκόνια. Χρονολογώντας τα ζιργκόν, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν ένα χρονοδιάγραμμα για την παρακολούθηση της εξέλιξης του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Η ισχύς και η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της Γης αλλάζει ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος. Για παράδειγμα, το τρέχον μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο στους πόλους και ασθενέστερο στον ισημερινό. Οπλισμένοι με πληροφορίες σχετικά με τις μαγνητικές ιδιότητες των ζιρκονίων, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν τα σχετικά γεωγραφικά πλάτη στα οποία σχηματίστηκαν τα ζιργκόν. Δηλαδή, εάν η απόδοση του γεωδύναμου – η διαδικασία που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο – είναι σταθερή και η ισχύς του πεδίου αλλάζει σε μια περίοδο, τότε το γεωγραφικό πλάτος στο οποίο σχηματίστηκαν τα ζιργκόν πρέπει επίσης να αλλάξει.

Αλλά ο Tarduno και η ομάδα του ανακάλυψαν το αντίθετο: Τα ζιργκόν που μελέτησαν από τη Νότια Αφρική έδειξαν ότι από περίπου 3,9 έως 3,4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου δεν άλλαξε, πράγμα που σημαίνει ότι ούτε τα γεωγραφικά πλάτη άλλαξαν.

Δεδομένου ότι η τεκτονική πλακών περιλαμβάνει αλλαγές γεωγραφικού πλάτους για διαφορετικές μάζες γης, λέει ο Tarduno, “είναι πιθανό ότι δεν συνέβησαν τεκτονικές κινήσεις πλακών κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, και πρέπει να υπήρχε άλλος τρόπος για να αφαιρεθεί η θερμότητα από τη Γη.”

Για να ενισχύσουν τα ευρήματά τους, οι ερευνητές βρήκαν τα ίδια μοτίβα στα ζιργκόν που μελέτησαν στη Δυτική Αυστραλία.

«Δεν λέμε ότι τα ζιργκόν σχηματίστηκαν στην ίδια ήπειρο, αλλά φαίνεται να έχουν σχηματιστεί στο ίδιο αμετάβλητο γεωγραφικό πλάτος, κάτι που ενισχύει το επιχείρημά μας ότι δεν υπήρχε κίνηση τεκτονικών πλακών αυτή τη στιγμή», λέει ο Tarduno.

Τεκτονική στάσιμου πώματος: Μια εναλλακτική λύση στην τεκτονική πλακών

Η Γη είναι μια θερμική μηχανή και η τεκτονική πλακών είναι τελικά η απελευθέρωση θερμότητας από τη Γη. Αλλά η τεκτονική στασιμότητα του μανδύα – που οδηγεί σε ρωγμές στην επιφάνεια της Γης – είναι ένας άλλος τρόπος να επιτραπεί στη θερμότητα να διαφύγει από το εσωτερικό του πλανήτη για να σχηματίσει ηπείρους και άλλα γεωλογικά χαρακτηριστικά.

Η τεκτονική πλακών περιλαμβάνει την οριζόντια κίνηση και αλληλεπίδραση μεταξύ μεγάλων πλακών στην επιφάνεια της Γης. Ο Tarduno και οι συνεργάτες του αναφέρουν ότι, κατά μέσο όρο, πλάκες από τα τελευταία 600 εκατομμύρια χρόνια έχουν μετακινηθεί τουλάχιστον 8.500 χιλιόμετρα (5.280 μίλια) σε γεωγραφικό πλάτος. Αντίθετα, η τεκτονική του στάσιμου μανδύα περιγράφει πώς το πιο εξωτερικό στρώμα της Γης συμπεριφέρεται ως στάσιμος μανδύας, χωρίς ενεργή οριζόντια κίνηση της πλάκας. Αντίθετα, το εξωτερικό στρώμα παραμένει στη θέση του ενώ το εσωτερικό του πλανήτη ψύχεται. Μεγάλα λοφία λιωμένου υλικού που ανεβαίνουν βαθιά στο εσωτερικό της Γης μπορεί να προκαλέσουν θραύση του εξωτερικού στρώματος. Η στάσιμη τεκτονική κίνηση του μανδύα δεν είναι τόσο αποτελεσματική όσο η κίνηση της τεκτονικής πλάκας στην απελευθέρωση θερμότητας από τον μανδύα της Γης, αλλά εξακολουθεί να οδηγεί στο σχηματισμό των ηπείρων.

«Η πρώιμη Γη δεν ήταν ένας πλανήτης όπου τα πάντα ήταν νεκρά στην επιφάνεια», λέει ο Tarduno. Τα πράγματα συνέβαιναν ακόμα στην επιφάνεια της γης. Η έρευνά μας δείχνει ότι δεν εμφανίζονταν μέσω τεκτονικών πλακών. Είχαμε τουλάχιστον αρκετούς από τους γεωχημικούς κύκλους που παρέχονται από τις στάσιμες διεργασίες καπακιού για να δημιουργήσουμε συνθήκες κατάλληλες για την προέλευση της ζωής».

Διατήρηση ενός κατοικήσιμου πλανήτη

Ενώ η Γη είναι ο μόνος γνωστός πλανήτης που έχει εμπειρία τεκτονικών πλακών, άλλοι πλανήτες όπως π.χ[{” 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.