Zirkone, Plattentektonik und das Geheimnis des Lebens – Physics World

Der Boden unter unseren Füßen mag fest und stationär erscheinen. Aber im Laufe der Erdgeschichte wurde die relativ dünne Hülle, die unseren Planeten bedeckt, durch tektonische Kräfte immer wieder zusammengedrückt, gerissen und umgeformt. Plattentektonik kann Kontinente verschieben, Gebirgszüge bilden und Erdbeben und Vulkane auslösen, wenn aufgestaute Energie plötzlich freigesetzt wird.

Aber während Tektonik das Leben auf lokaler Ebene wahllos zerstören kann, ist sie auch für die Aufrechterhaltung bewohnbarer Bedingungen auf der gesamten Erdoberfläche von entscheidender Bedeutung. Das liegt daran, dass kohlenstoffreiche Materialien in „Subduktionszonen“ – Regionen, in denen eine Platte unter eine andere geschoben wird – in das Erdinnere zurückgeführt werden, was zur Regulierung des Kohlenstoffkreislaufs beiträgt. Unterdessen tragen Wasserdampf und Gase, die durch vulkanische Aktivität freigesetzt werden, dazu bei, das Klima und die atmosphärischen Bedingungen auf der Erde zu stabilisieren.

Wir müssen uns nur die schädliche Atmosphäre der Venus mit ihren dichten Kohlendioxid- und Schwefelsäurewolken ansehen, um zu sehen, was auf einem Gesteinsplaneten ohne Plattentektonik passieren kann. Deshalb gingen viele Geowissenschaftler davon aus, dass es bereits zur Entstehung des Lebens, also in den ersten Milliarden Jahren der Erdgeschichte, Plattentektonik gegeben haben muss. Im Wesentlichen galt die Plattentektonik als eine Schlüsselvoraussetzung für Leben.

Jedoch müssen auch neue Erkenntnisse von einem internationalen Forschungsteam deuten darauf hin, dass das Leben der Plattentektonik vorausgegangen sein könnte – und dass das Leben mit Abstand früher entstanden sein könnte. Wenn die Arbeit wahr ist, könnte unser junger Planet eine längere Zeit ohne bewegliche Platten erlebt haben, unter einer rudimentäreren Form der Tektonik, die als „stagnierender Deckel“ bekannt ist. Sollte sich ein solches Szenario bestätigen, würde es unser Verständnis darüber, wie Leben entsteht und überlebt, verändern – und möglicherweise bei der Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten helfen.

Auf wackeligem Boden

Der Begriff der Plattentektonik mag heute weithin akzeptiert sein, war jedoch viele Jahre lang umstritten. Die Geschichte begann im Jahr 1912, als der deutsche Wissenschaftler Alfred Wegener schlug die Idee der „Kontinentalverschiebung“ vor. Er vermutete, dass die heutigen Kontinente einst Teil eines viel größeren Superkontinents waren, sich aber später an ihre heutige Position auf der Erdoberfläche bewegten. In seinem Buch Der Ursprung der Kontinente und OzeaneWegener bemerkte bekanntlich, wie die Küsten Südamerikas und Afrikas wie ein Puzzle zusammenpassen, und beschrieb, wie ähnliche Fossilien in völlig unterschiedlichen Teilen der Welt auftauchen.

Wegeners Idee stieß zunächst auf Skepsis, vor allem weil die Forscher nicht sicher waren, was die Platten bewegt haben könnte. Eine Antwort begann sich Mitte des 20. Jahrhunderts zu ergeben, als eine Karte erstellt in 1953 vom US-amerikanischen Geologen und Kartographen Marie Tharpe enthüllte die Existenz eines mittelozeanischen Rückens, der den gesamten Atlantischen Ozean überspannt und parallel zu den kontinentalen Küstenlinien verläuft. Das riesige Tal in seiner Mitte deutete laut Tharpe darauf hin, dass sich der Meeresboden ausdehnte.

Eine vollständige Theorie zur Ausbreitung des Meeresbodens wurde anschließend vorgeschlagen von US-Geologen Harry Hess im Jahr 1962. Er vermutete, dass sich ozeanische Kruste kontinuierlich an mittelozeanischen Rücken bildet, wo geschmolzenes Material aus dem Erdinneren als Teil einer Konvektionszelle an die Oberfläche strömt, bevor es zu neuem Meeresboden erstarrt. Diese frische Kruste wird dann durch das anschließend aufsteigende Magma horizontal in beide Richtungen verschoben.

Währenddessen werden dort, wo ozeanische Platten an Kontinente grenzen, ältere Abschnitte der ozeanischen Kruste an ozeanischen Gräben unter die weniger dichte kontinentale Kruste geschoben und in das Erdinnere zurückgeführt. Tatsächlich trägt die sinkende Spitze der Platte auch zur Ausbreitung des Meeresbodens bei, indem sie den Rest der Platte hinter sich herzieht, während sie in den Abgrund stürzt.

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Beweise für die Ausbreitung des Meeresbodens kamen 1963 von britischen Geologen Frederick Rebe und Drummond Matthews untersuchte Messungen des Erdmagnetfelds, die von einem Forschungsschiff durchgeführt wurden, das über einen Bergrücken im Indischen Ozean unterwegs war. Sie bemerkten, dass das Feld nicht einheitlich war, aber es war so Anomalien, die in Streifen verliefen parallel zum Rücken – und praktisch symmetrisch auf beiden Seiten davon – über den Meeresboden. Sie sagten, dass die Streifen entstehen, weil magnetische Mineralien im neu entstehenden Meeresboden dazu neigen, sich mit dem Erdmagnetfeld auszurichten, während sich das Gestein verfestigt. Jedes Mal, wenn das Erdmagnetfeld umkehrt, bilden sich neue Streifen – ein Phänomen, das in der Erdgeschichte schon oft vorgekommen ist, wenn der Nordpol plötzlich zum Südpol wird.

Um eine Analogie zu verwenden: Der sich bewegende Meeresboden gleicht eher einer altmodischen Kassette, die jede Umkehrung des Erdmagnetfeldes aufzeichnet. Jede Umkehrung kann durch Fossilienstudien und radiometrische Tests von Basalten, die vom Meeresboden gebohrt wurden, datiert werden, um die Geschichte des Magnetfelds aufzuzeichnen. Heutzutage ist die Existenz der Plattentektonik fast allgemein anerkannt.

Weitaus weniger Einigkeit besteht jedoch darüber, wann die Plattentektonik begann. Ein Teil des Problems besteht darin, dass die Erde vor etwa 4.54 Milliarden Jahren entstanden ist und heute praktisch die gesamte ozeanische Kruste, die älter als 200 Millionen Jahre ist, wieder in die Erde zurückgeführt wurde. Unser Langzeitarchiv der Erdgeschichte liegt also in verborgenen Felsformationen auf den Kontinenten.

Aber selbst dort wurden die wenigen zugänglichen Gesteine, die aus der ersten Milliarde Jahre übrig geblieben sind, durch Hitze, Chemie, physikalische Verwitterung und extremen Druck erheblich verändert. Aus diesem Grund ist sich niemand sicher, wann die Plattentektonik begann. Die Schätzungen reichen von mehr als Vor 4 Milliarden Jahren auf nur 700 Millionen Jahre zuvor. Es ist eine große und unbefriedigende Unsicherheit.

Noch merkwürdiger ist, dass die frühesten unbestrittenen fossilen Beweise für Leben 3.5 bis 3.4 Milliarden Jahre alt sind und Lebenssignaturen in Sedimentgesteinen darauf hindeuten, dass Leben existiert haben könnte 3.95 Milliarden Jahre zuvor. Könnte also Leben Hunderte von Millionen Jahren entstanden sein, bevor es überhaupt Plattentektonik gab? Da aus dieser Zeit nur noch wenige Originalgesteine ​​erhalten sind, bleiben Geologen oft im Reich der Spekulation hängen.

Zirkone: Zeitkapseln aus den feurigen Anfängen der Erde

Glücklicherweise verfügen Geowissenschaftler über eine Geheimwaffe, um Schnappschüsse von den Bedingungen auf der frühen Erde zu erhalten. Sag Hallo zu Zirkone – chemisch stabile Mineralfragmente (ZrSiO₄), die in einer Vielzahl von Farben und geologischen Umgebungen vorkommen. Das Schöne an Zirkonen ist für Geowissenschaftler, dass sie von Veränderungen in ihrem Wirtsgestein weitgehend unberührt bleiben. Sie sind wie eine Zeitkapsel dieser weit entfernten Zeit.

Insbesondere Wissenschaftler haben in letzter Zeit untersucht alte Zirkone das in den Granitfelsen kristallisierte, die während der ersten 600 Millionen Jahre der Erde entstanden sind. In dieser Zeit, bekannt als Hadäisches Äon, war unser Planet ein höllischer Ort, wahrscheinlich von einer kohlendioxidreichen Atmosphäre umgeben und häufig von außerirdischen Körpern bombardiert. Einer von ihnen hat wahrscheinlich den Mond erschaffen.

Trotz des Fehlens einer Kruste scheint es jedoch so zu sein, dass sich festes Gestein gebildet hat, da heute nur noch eine begrenzte Anzahl davon erhalten ist. Es gibt intakte Gesteine, die bis zu 4 Milliarden Jahre alt sind Acasta-Gneis-Komplex im Nordwesten Kanadas, und die ältesten bekannten Materialien erdeigenen Ursprungs sind 4.4 Milliarden Jahre alt Zirkonkristalle, gefunden in den Jack Hills in Australien (Nature Geoscience 10 457). Sie sind in viel neueren, „metasedimentären“ Gesteinen untergebracht.

In dieser neuen Forschung (Natur 618 531) untersuchten die Forscher Jack Hills-Zirkone aus der Zeit vor 3.9 bis 3.3 Milliarden Jahren sowie Zirkone aus derselben Zeit, die im Barberton Greenstone Belt in Südafrika gefunden wurden. Angeführt von John Tarduno Von der Universität Rochester in den USA waren die Forscher zunächst daran interessiert, was die Zirkone über den Zustand des Erdmagnetfelds während dieser Zeit aussagen könnten. Erst später erkannten sie, dass ihre Ergebnisse weitaus umfassendere Auswirkungen hatten.

Es wurde festgestellt, dass Zirkonkristalle aus australischen und südafrikanischen Fundstellen Einschlüsse eines eisenreichen Minerals namens Magnetit enthielten, die zum Zeitpunkt ihrer Entstehung durch das Erdfeld magnetisiert wurden. Auch wenn seitdem Milliarden von Jahren vergangen sind, sind diese Informationen über das alte Magnetfeld der Erde die ganze Zeit über in den Zirkonkristallen gespeichert geblieben. Da das Erdmagnetfeld tatsächlich ein Dipol ist – mit einer Feldstärke, die je nach Breitengrad variiert – kann die Messung der Stärke der Restmagnetisierung im Magnetitgehalt von Zirkon Aufschluss über den Breitengrad geben, in dem es entstanden ist.

Die nächste Herausforderung bestand darin, die Zirkonproben zu datieren. Praktischerweise enthält die Kristallstruktur von Zirkon auch Uran, das mit einer bekannten Geschwindigkeit allmählich in Blei zerfällt. Aus dem Verhältnis von Uran zu Blei, das Tardunos Team mit a maß, konnten die Forscher daher auf das Alter des Zirkonkristalls schließen Selektive hochauflösende Ionenmikrosonde, oder GARNELEN.

Hätte es in den 600 Millionen Jahren, die in dieser Studie behandelt werden, Plattentektonik gegeben, dann wäre zu erwarten, dass sich die Zirkonkristalle bei der Bewegung der Platten in verschiedenen Breitengraden gebildet hätten. Das wiederum würde bedeuten, dass Zirkonkristalle je nach Alter unterschiedliche Magnetisierungsstärken hätten. Zu ihrer Überraschung entdeckten Tarduno und sein Team jedoch etwas ganz anderes.

Sowohl am australischen als auch am südafrikanischen Standort blieb die Magnetisierungsstärke zwischen 3.9 und 3.4 Milliarden Jahren nahezu konstant. Dies deutet darauf hin, dass sich beide Zirkongruppen in gleichbleibenden Breitengraden bildeten. Mit anderen Worten: Die Plattentektonik hatte noch nicht begonnen. Einer der Gründe für diese Schlussfolgerung, erklären die Forscher, ist, dass sich die Platten in den letzten 600 Millionen Jahren im Durchschnitt um mindestens 8500 km in der Breite bewegt haben. Und in dieser jüngsten Zeit gab es noch nie ein Beispiel dafür, dass zwei Platten gleichzeitig auf einem konstanten Breitengrad blieben.“

Mit anderen Worten: Die Plattentektonik hatte noch nicht begonnen. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Erde wahrscheinlich über eine rudimentärere Vielfalt an Tektonik verfügte, die immer noch ein gewisses Maß an chemischem Recycling und das Brechen von festem Gestein an der Erdoberfläche umfasste.

Der entscheidende Unterschied zwischen der heutigen Plattentektonik und dieser „stagnierender Deckel“ Die Form der Tektonik besteht darin, dass sie keine Platten umfasst, die sich horizontal über die Oberfläche bewegen, was eine effiziente Wärmeabgabe ermöglicht. Stattdessen wäre die Erde eine schwärende Welt ohne kontinentale Kruste gewesen, bevölkert von isolierten Regionen dicker ozeanischer Kruste, getrennt durch Bereiche aufsteigenden Magmas (Abbildung 1). „Stagnierender Deckel ist vielleicht ein unglücklicher Name, da die Leute vielleicht denken, dass nichts los ist“, sagt Tarduno. „Aber es entstehen Materialwolken, die den Boden dieser Urkruste und Lithosphäre erhitzen können.“

Gegen Ende des Untersuchungszeitraums (vor 3.4 bis 3.3 Milliarden Jahren) beginnt sich die in den Zirkonkristallen beobachtete Magnetisierung zu verstärken, was laut Tarduno auf den Beginn der Plattentektonik hinweisen könnte. Der Grund dafür ist, dass riesige Krustenplatten, die an Subduktionszonen in das Erdinnere absinken, zu einer schnelleren Abkühlung des Erdmantels führen. Dieser Prozess kann wiederum die Effizienz der Konvektion im äußeren Kern stärken – was zu einem stärkeren Erdmagnetfeld führt.

Eine „Goldlöckchen-Situation“ für das frühe Leben?

Wenn grundlegendes Leben bereits fast eine halbe Milliarde Jahre vor der Tektonik vorhanden war, wie diese Studie andeutet, wirft dies interessante Fragen darüber auf, wie Leben in einer Welt ohne Plattentektonik überleben könnte. Ein schwächeres Magnetfeld aus dieser Stagnation-Deckel-Phase hätte dazu geführt, dass die Erdoberfläche stärker der kosmischen Strahlung ausgesetzt wäre, vor der uns unser derzeitiges starkes Feld schützt. Energetische Protonen im Sonnenwind wären dann mit atmosphärischen Partikeln kollidiert, hätten diese aufgeladen und mit Energie versorgt, sodass sie in den Weltraum entweichen könnten – und damit im Prinzip einem ganzen Planeten sein Wasser entzogen.

Aber Tarduno sagt, dass selbst die relativ schwache Magnetfeldstärke, die in dieser neuen Studie beobachtet wurde, für eine gewisse Abschirmung gesorgt hätte. Tatsächlich vermutet er, dass diese brodelnde, stagnierende Form der Tektonik eine „Goldlöckchen-Situation“ geschaffen haben könnte, die genau richtig für das Leben in der Urzeit gewesen wäre, frei von den dramatischen Veränderungen der Umweltbedingungen, die bei einer voll entwickelten Plattentektonik auftreten können.

Das ist eine verlockende Idee, denn man geht davon aus, dass stagnierende Deckelformen der Tektonik in unserem gesamten Sonnensystem verbreitet sind und auf der Venus, dem Merkur und in einer weniger dynamischen Form auf dem Mars existieren.

Um die Forschung weiterzuentwickeln, plant Tardunos Team nun, Zirkone ähnlichen Alters an anderen Standorten zu untersuchen, um ein breiteres Spektrum an Datenpunkten zu erhalten. „Unser Ansatz unterscheidet sich von früheren Arbeiten, weil wir einen Bewegungsindikator haben“, sagt er. „Alle Argumente zur Plattentektonik aus dieser Zeit der Erdgeschichte basieren auf der Geochemie – nicht auf dem Hauptindikator dafür, was Plattentektonik ist.“

Peter Cawood, ein Geowissenschaftler an der Monash University in Australien, der daran nicht beteiligt war Natur Die Studie besagt, dass weitere Erkenntnisse über die frühe Erde von Orten in unserem Sonnensystem stammen könnten, deren Oberflächen nicht wiederholt durch Plattentektonik recycelt wurden. „Mars, Mond und Meteoriten liefern eine umfassendere Aufzeichnung ihrer frühen Geschichte“, sagt er. „Proben dieser Körper und insbesondere das Potenzial für Missionen zur Probenrückgabe vom Mars könnten wichtige neue Erkenntnisse über Prozesse liefern, die auf der frühen Erde wirkten.“

Epoche oder Ereignis? Definition des Anthropozäns

Riesige Sprünge an dieser Front können über die erfolgen Mars-ProbenrückgabemissionDer Start ist für 2027 geplant. Cawood geht jedoch davon aus, dass eine vielleicht kritischere Frage für die Entwicklung des ersten Lebens darin besteht, wann genau Wasser – eine Voraussetzung für Leben – zum ersten Mal auf der Erde aufgetaucht ist. „Frühere Arbeiten an den Jack Hills-Zirkonen unter Verwendung von Sauerstoffisotopen legen nahe, dass es seit mindestens 4400 Millionen Jahren Wasser gab“, sagt er.

Für Cawood könnte diese Forschung möglicherweise bei der Suche nach Leben in unserem Sonnensystem und darüber hinaus helfen – und sogar bei unserer Vorstellung davon, wie Leben aussieht. „Wenn sich während dieser stagnierenden Deckelphase Leben auf der Erde entwickelte, dann geschah dies möglicherweise auch auf dem Mars.“ Wenn die Erde in einer stagnierenden Deckelphase geblieben wäre und sich das Leben weiter entwickelt hätte, würde sie sicherlich anders aussehen als die Biosphäre, die wir heute haben. Um es mit Spocks Gespräch mit Kirk zu sagen: „Es ist das Leben, Jim, aber nicht so, wie wir es kennen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/