Zirconi, tettonica a placche e il mistero della vita – Physics World

Il terreno sotto i nostri piedi può apparire solido e stazionario. Ma nel corso della storia della Terra, la patina relativamente sottile che ricopre il nostro pianeta è stata ripetutamente schiacciata, spaccata e riscolpita dalle forze tettoniche. La tettonica a placche può spostare continenti, costruire catene montuose e innescare terremoti e vulcani quando l’energia repressa viene improvvisamente rilasciata.

Ma se da un lato la tettonica può distruggere la vita indiscriminatamente a livello locale, dall’altro è vitale anche per il mantenimento delle condizioni abitabili sulla superficie terrestre. Questo perché i materiali ricchi di carbonio vengono riciclati all'interno della Terra nelle “zone di subduzione” – regioni in cui una placca viene spinta sotto un'altra – in un processo che aiuta a regolare il ciclo del carbonio. Nel frattempo, il vapore acqueo e i gas rilasciati attraverso l’attività vulcanica aiutano a stabilizzare il clima e le condizioni atmosferiche della Terra.

Dobbiamo solo guardare l’atmosfera nociva di Venere – con le sue dense nubi di anidride carbonica e acido solforico – per vedere cosa può succedere su un pianeta roccioso senza tettonica a placche. Ecco perché molti geoscienziati presumono che la tettonica a placche dovesse già esistere quando è emersa la vita, durante il primo miliardo di anni di storia della Terra. La tettonica a placche, in sostanza, era considerata un prerequisito chiave per la vita.

Ma nuove scoperte da un gruppo di ricerca internazionale indicano che la vita potrebbe aver preceduto la tettonica a placche – e che la vita potrebbe essere arrivata prima con un certo margine. Se il lavoro fosse vero, il nostro giovane pianeta potrebbe aver vissuto un periodo prolungato senza placche mobili, sotto una forma più rudimentale di tettonica nota come “coperchio stagnante”. Un simile scenario, se confermato, trasformerebbe la nostra comprensione di come la vita emerge e sopravvive – e potenzialmente aiuterebbe nella ricerca della vita oltre il nostro pianeta.

Su un terreno traballante

La nozione di tettonica a placche può essere ampiamente accettata oggi, ma è stata controversa per molti anni. La storia iniziò nel 1912 quando lo scienziato tedesco Alfred Wegener propose il concetto di “deriva dei continenti”. Secondo lui, i continenti odierni una volta facevano parte di un supercontinente molto più grande, ma in seguito si sono spostati nelle loro posizioni attuali sulla superficie terrestre. Nel suo libro L'origine dei continenti e degli oceani, Wegener notò come le coste del Sud America e dell'Africa si incastrano come un puzzle e descrisse come fossili simili emergano in parti completamente diverse del mondo.

L'idea di Wegener fu inizialmente accolta con scetticismo, soprattutto perché i ricercatori non erano sicuri di cosa avrebbe potuto far muovere le placche. Una risposta cominciò ad emergere a metà del XX secolo quando una mappa prodotta in 1953 dal geologo e cartografo statunitense Marie Tharpe ha rivelato l’esistenza di una dorsale medio-oceanica che abbraccia l’intero Oceano Atlantico e corre parallela alle coste continentali. Caratterizzato da un'enorme valle al centro, Tharpe sostenne che ciò indicava che il fondale oceanico si stava espandendo.

Una teoria completa per l’espansione del fondale marino è stato successivamente proposto dal geologo statunitense Harry Hess nel 1962. Ha suggerito che la crosta oceanica si forma continuamente nelle dorsali medio-oceaniche, dove il materiale fuso dall’interno della Terra risale verso la superficie come parte di una cella di convezione, prima di solidificarsi nel nuovo fondale oceanico. Questa crosta fresca viene quindi deviata orizzontalmente in entrambe le direzioni dalla successiva risalita del magma.

Nel frattempo, dove le placche oceaniche confinano con i continenti, le sezioni più vecchie della crosta oceanica vengono spinte sotto la crosta continentale meno densa nelle fosse oceaniche e riciclate all’interno della Terra. Infatti, anche la punta della placca che affonda contribuisce all'allargamento del fondale trascinando dietro di sé il resto della placca mentre precipita negli abissi.

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Le prove dell'espansione del fondale marino arrivarono nel 1963 quando i geologi britannici Federico Vite ed Drummond Matthews hanno esaminato le misurazioni del campo magnetico terrestre effettuate da una nave da ricerca che viaggiava attraverso una dorsale nell'Oceano Indiano. Hanno notato che il campo non era uniforme, ma lo era anomalie che correvano a strisce parallelamente alla dorsale – e praticamente simmetricamente su entrambi i lati di essa – che attraversa il fondale oceanico. Hanno detto che le strisce si formano perché i minerali magnetici all’interno del fondale marino appena formatosi tendono ad allinearsi con il campo magnetico terrestre mentre la roccia si solidifica. Nuove strisce si formano ogni volta che il campo magnetico terrestre si inverte, un fenomeno che si è verificato molte volte durante la storia della Terra, quando il polo nord diventa improvvisamente il polo sud.

Per usare un’analogia, il fondale marino in movimento è un po’ come una vecchia cassetta, che registra ogni inversione del campo geomagnetico. Ogni inversione può essere datata tramite studi sui fossili e test radiometrici di basalti perforati dal fondo dell’oceano, per tracciare una storia del campo magnetico. Al giorno d’oggi, l’esistenza della tettonica a placche è ormai quasi universalmente accettata.

Ma c’è molto meno accordo su quando ebbe inizio la tettonica a placche. Parte del problema è che la Terra si è formata circa 4.54 miliardi di anni fa e oggi praticamente tutta la crosta oceanica più vecchia di 200 milioni di anni è stata riciclata nella Terra. Il nostro archivio a lungo termine della storia della Terra è, in altre parole, contenuto all’interno di formazioni rocciose nascoste nei continenti.

Ma anche lì, le poche rocce accessibili che rimangono del primo miliardo di anni sono state significativamente alterate dal calore, dalla chimica, dagli agenti atmosferici fisici e dalle pressioni estreme. Ecco perché nessuno è sicuro di quando sia iniziata la tettonica a placche, con stime che vanno da oltre 4 miliardi di anni fa a soli 700 milioni anni fa. È un’incertezza enorme e insoddisfacente.

La cosa più curiosa è che le prime prove fossili indiscusse di vita risalgono a 3.5-3.4 miliardi di anni fa, con tracce di vita nelle rocce sedimentarie che indicano che la vita potrebbe essere esistita. 3.95 miliardi anni fa. Quindi la vita potrebbe essere emersa centinaia di milioni di anni prima che la tettonica a placche esistesse? Con così poche rocce originali sopravvissute di questo periodo, i geologi sono spesso bloccati nel regno della speculazione.

Zirconi: capsule del tempo dagli inizi infuocati della Terra

Fortunatamente, i geoscienziati hanno un’arma segreta per ottenere istantanee delle condizioni sulla Terra primordiale. Di Ciao a zirconi – frammenti minerali chimicamente stabili (ZrSiO₄) che si trovano in una varietà di colori e ambienti geologici. La bellezza degli zirconi per i geoscienziati è che rimangono in gran parte inalterati dai cambiamenti nella roccia che li ospita. Sono come una capsula del tempo di quel periodo così lontano.

In particolare, gli scienziati hanno recentemente studiato zirconi antichi che si cristallizzò all'interno delle rocce granitiche formatesi durante i primi 600 milioni di anni della Terra. Durante questo periodo, noto come Eone di Ade, il nostro pianeta era un luogo infernale, probabilmente avvolto da un'atmosfera ricca di anidride carbonica e frequentemente bombardato da corpi extraterrestri. Probabilmente uno di loro ha creato la Luna.

Nonostante la mancanza di crosta, tuttavia, sembra che si siano formate rocce solide perché oggi ne sopravvive un numero limitato. Esistono rocce intatte risalenti a 4 miliardi di anni fa Complesso di gneiss di Acasta del Canada nord-occidentale, e i materiali più antichi conosciuti di origine terrestre risalgono a 4.4 miliardi di anni fa Cristalli di zircone trovati nelle Jack Hills in Australia (Nature Geoscience 10 457). Sono ospitati in rocce molto più nuove, “meta-sedimentarie”.

In questa nuova ricerca (Natura 618 531), i ricercatori hanno studiato gli zirconi di Jack Hills che abbracciavano il periodo 3.9-3.3 miliardi di anni fa, così come gli zirconi dello stesso periodo trovati nella cintura di Barberton Greenstone in Sud Africa. Guidato da Giovanni Tarduno dell'Università di Rochester negli Stati Uniti, i ricercatori erano inizialmente interessati a ciò che gli zirconi avrebbero potuto rivelare sullo stato del campo magnetico terrestre durante quel periodo. Solo più tardi si resero conto che le loro scoperte avevano implicazioni molto più ampie.

Si è scoperto che i cristalli di zirconio provenienti sia dai siti australiani che da quelli sudafricani contengono inclusioni di un minerale ricco di ferro chiamato magnetite, che fu magnetizzato dal campo terrestre nel momento in cui si formò. Anche se sono passati miliardi di anni, queste informazioni sull’antico campo magnetico della Terra sono rimaste bloccate nei cristalli di zircone per tutto questo tempo. Infatti, poiché il campo magnetico della Terra è un dipolo – con un’intensità di campo che varia con la latitudine – misurare la forza della magnetizzazione residua nel contenuto di magnetite dello zircone può rivelare la latitudine alla quale si è formato.

La sfida successiva è stata datare i campioni di zircone. Convenientemente, la struttura cristallina dello zircone incorpora anche l'uranio, che decade gradualmente in piombo ad una velocità nota. I ricercatori hanno quindi potuto ricavare l'età del cristallo di zircone dal rapporto tra uranio e piombo, che il team di Tarduno ha misurato utilizzando un Microsonda ionica selettiva ad alta risoluzione, o GAMBERI.

Se la tettonica a placche fosse esistita durante i 600 milioni di anni trattati in questo studio, allora ci si aspetterebbe che i cristalli di zircone si siano formati a diverse latitudini mentre le placche si muovono. Ciò a sua volta significherebbe che i cristalli di zircone avrebbero una gamma di forze di magnetizzazione a seconda della loro età. Con loro sorpresa, tuttavia, Tarduno e il team hanno scoperto qualcosa di molto diverso.

Sia nei siti australiani che in quelli sudafricani, la forza di magnetizzazione è rimasta quasi costante tra 3.9 e 3.4 miliardi di anni fa. Ciò suggerisce che entrambi i gruppi di zirconi si formassero a latitudini immutabili. In altre parole, la tettonica a placche non era ancora iniziata. Parte del motivo di questa conclusione, spiegano i ricercatori, è che, in media, le placche nel corso degli ultimi 600 milioni di anni si sono spostate di almeno 8500 km in latitudine. E durante questo recente periodo, non c’è mai stato un esempio di due placche rimaste contemporaneamente a latitudine costante”.

In altre parole, la tettonica a placche non era ancora iniziata. I ricercatori concludono che la Terra probabilmente aveva una varietà tettonica più rudimentale, che includeva ancora un certo riciclaggio chimico e una fratturazione della roccia solida sulla superficie terrestre.

La differenza cruciale tra la tettonica a placche di oggi e questa “coperchio stagnante” forma della tettonica è che quest'ultima non include placche che si muovono orizzontalmente sulla superficie, il che consente un rilascio efficiente del calore. Invece, la Terra sarebbe stata un mondo in putrefazione senza crosta continentale, popolato da regioni isolate di spessa crosta oceanica separate da aree di magma in risalita (figura 1). "Forse coperchio stagnante è un nome infelice perché la gente potrebbe pensare che non stia succedendo nulla", dice Tarduno. “Ma quello che abbiamo sono pennacchi di materiale che salgono in superficie e che possono riscaldare il fondo di questa crosta e litosfera primordiali”.

Verso la fine del periodo di studio (3.4-3.3 miliardi di anni fa), la magnetizzazione osservata nei cristalli di zircone inizia a rafforzarsi, il che, secondo Tarduno, potrebbe indicare l’inizio della tettonica a placche. Il motivo è che enormi lastre di crosta che scendono verso l’interno della Terra nelle zone di subduzione provocano un raffreddamento più rapido del mantello. A sua volta, questo processo può rafforzare l’efficienza della convezione nel nucleo esterno, risultando in un campo geomagnetico più forte.

Una "situazione Riccioli d'Oro" per i primi anni di vita?

Se la vita di base fosse già presente quasi mezzo miliardo di anni prima della tettonica, come suggerito da questo studio, ciò solleverebbe interessanti interrogativi su come la vita potrebbe sopravvivere in un mondo senza tettonica a zolle. Un campo magnetico più debole derivante da questa fase stagnante avrebbe lasciato la superficie terrestre più esposta alle radiazioni cosmiche, dalle quali il nostro attuale forte campo ci protegge. I protoni energetici nel vento solare si sarebbero quindi scontrati con le particelle atmosferiche, caricandole ed energizzandole in modo che potessero fuggire nello spazio – in linea di principio, privando un intero pianeta della sua acqua.

Ma Tarduno afferma che anche l’intensità del campo magnetico relativamente debole osservata in questo nuovo studio avrebbe fornito una certa schermatura. In effetti, suggerisce che questa forma ribollente e stagnante di tettonica potrebbe aver creato una “situazione Riccioli d’oro” che sarebbe stata perfetta per la vita primordiale, libera dai drammatici cambiamenti nelle condizioni ambientali che possono verificarsi nella tettonica a placche vera e propria.

È un'idea allettante perché si ritiene che le forme tettoniche stagnanti siano comuni in tutto il nostro sistema solare, esistenti su Venere, Mercurio e in una forma meno dinamica su Marte.

Per sviluppare la ricerca, il team di Tarduno prevede ora di studiare zirconi di età simili provenienti da altri luoghi, per fornire una gamma più ampia di dati. "Il nostro approccio è diverso dal lavoro precedente perché abbiamo un indicatore di movimento", afferma. “Tutte le argomentazioni sulla tettonica a placche di questo periodo della storia della Terra si sono basate sulla geochimica, non sull’indicatore principale di cosa sia la tettonica a placche”.

Pietro Cawood, uno scienziato della Terra della Monash University in Australia, che non è stato coinvolto in questo Natura studio, afferma che un’ulteriore comprensione della Terra primordiale potrebbe provenire da luoghi del nostro sistema solare le cui superfici non sono state ripetutamente riciclate dalla tettonica a zolle. "Marte, la Luna e i meteoriti forniscono una documentazione più ampia della loro storia antica", afferma. “I campioni provenienti da questi corpi, e in particolare il potenziale per missioni di ritorno di campioni da Marte, possono fornire nuove importanti informazioni sui processi che agivano sulla Terra primordiale”.

Epoca o evento? Definire l'Antropocene

Salti da gigante su quel fronte possono verificarsi tramite il Missione di ritorno del campione su Marte, il cui lancio è previsto per il 2027. Ma Cawood ritiene che forse una questione più critica per lo sviluppo della vita iniziale sia quando esattamente l’acqua – un prerequisito per la vita – sia apparsa per la prima volta sulla Terra. "Il lavoro precedente sugli zirconi di Jack Hills, utilizzando isotopi di ossigeno, suggerisce che l'acqua esisteva da almeno 4400 milioni di anni fa", dice.

Per Cawood, questa ricerca potrebbe potenzialmente aiutare nella ricerca della vita all’interno del nostro sistema solare e oltre – e anche nel nostro concetto di come appare la vita. “Se la vita sulla Terra si è sviluppata durante questa fase stagnante, forse lo stesso è avvenuto anche su Marte. Se la Terra fosse rimasta in una fase stagnante e la vita avesse continuato ad evolversi, avrebbe sicuramente un aspetto diverso dalla biosfera che abbiamo oggi. Quindi, per parafrasare Spock parlando a Kirk: 'è la vita Jim, ma non come la conosciamo'."

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