Zirkoner, platetektonikk og livets mysterium – Physics World

Bakken under føttene våre kan virke solid og stasjonær. Men gjennom jordens historie har den relativt tynne fineren som dekker planeten vår gjentatte ganger blitt presset sammen, sprukket og gjenskapt av tektoniske krefter. Platetektonikk kan flytte kontinenter, bygge fjellkjeder og utløse jordskjelv og vulkaner når innestengt energi plutselig frigjøres.

Men mens tektonikk kan ødelegge liv vilkårlig på lokalt nivå, er det også avgjørende for å opprettholde beboelige forhold over jordens overflate. Det er fordi karbonrike materialer resirkuleres tilbake til jordens indre i "subduksjonssoner" - regioner der en plate skyves under en annen - i en prosess som hjelper til med å regulere karbonsyklusen. I mellomtiden bidrar vanndamp og gasser som frigjøres gjennom vulkansk aktivitet til å stabilisere jordens klima og atmosfæriske forhold.

Vi trenger bare å se på den skadelige atmosfæren til Venus – med sine tette karbondioksid- og svovelsyreskyer – for å se hva som kan skje på en steinete planet uten platetektonikk. Det er derfor mange geoforskere antok at platetektonikk må ha eksistert da livet dukket opp, i løpet av de første milliard årene av jordens historie. Platetektonikk ble i hovedsak ansett som en nøkkelforutsetning for liv.

Men nye funn av et internasjonalt forskerteam tyder på at liv kunne ha gått foran platetektonikk – og at livet kunne ha kommet først med en viss margin. Hvis arbeidet stemmer, kan vår unge planet ha opplevd en lengre periode uten bevegelige plater, under en mer rudimentær form for tektonikk kjent som et "stillestående lokk". Et slikt seknarium, hvis det bekreftes, vil forandre vår forståelse av hvordan liv oppstår og overlever – og potensielt hjelpe i søket etter liv utenfor planeten vår.

På skjelven bakke

Forestillingen om platetektonikk er kanskje allment akseptert i dag, men den var kontroversiell i mange år. Historien begynte i 1912 da den tyske vitenskapsmannen Alfred Wegener foreslo ideen om "kontinentaldrift". Han antydet at dagens kontinenter en gang var en del av et mye større superkontinent, men senere drev til deres nåværende posisjoner på jordoverflaten. I boken hans Opprinnelsen til kontinenter og hav, bemerket Wegener berømt hvordan kystlinjene i Sør-Amerika og Afrika passer sammen som et stikksag og beskrev hvordan lignende fossiler dukker opp i helt forskjellige deler av verden.

Wegeners idé ble opprinnelig møtt med skepsis, hovedsakelig fordi forskere var usikre på hva som kunne ha fått platene til å bevege seg. Et svar begynte å dukke opp på midten av 20-tallet når et kart produsert i 1953 av den amerikanske geologen og kartografen Marie Tharpe avslørte eksistensen av en midthavsrygg som spenner over hele Atlanterhavet og løper parallelt med kontinentale kystlinjer. Med en enorm dal i sentrum, hevdet Tharpe at dette indikerte at havbunnen utvidet seg.

En fullstendig teori for spredning av havbunnen ble senere foreslått av amerikansk geolog Harry Hess i 1962. Han antydet at havskorpen kontinuerlig dannes ved midthavsrygger, der smeltet materiale fra jordens indre brønner opp til overflaten som en del av en konveksjonscelle, før det størkner til ny havbunn. Denne ferske skorpen blir deretter shuntet horisontalt i begge retninger av påfølgende magma i oppstrøm.

I mellomtiden, der oseaniske plater grenser til kontinenter, blir eldre deler av oseanisk skorpe skjøvet under den mindre tette kontinentale skorpen ved oseaniske skyttergraver og resirkulert tilbake til jordens indre. Faktisk bidrar også den synkende tuppen av platen til havbunnsspredning ved å dra resten av platen bakover mens den stuper ned i avgrunnen.

[Innebygd innhold]

Bevis for spredning av havbunnen kom i 1963 da britiske geologer Frederick Vine og Drummond Matthews sett på målinger av jordens magnetfelt tatt av et forskningsskip som reiser over en åsrygg i Det indiske hav. De la merke til at feltet ikke var ensartet, men det hadde de anomalier som løp i striper parallelt med ryggen – og praktisk talt symmetrisk på hver side av den – som strekker seg over havbunnen. De sa at stripene oppstår fordi magnetiske mineraler i den nylig dannede havbunnen har en tendens til å justere seg med jordens magnetfelt mens bergarten størkner. Nye striper dannes hver gang jordens magnetfelt snur – et fenomen som har skjedd mange ganger i løpet av jordens historie når nordpolen plutselig blir til sydpolen.

For å bruke en analogi, er den bevegelige havbunnen ganske som et gammeldags kassettbånd, som registrerer hver reversering av det geomagnetiske feltet. Hver reversering kan dateres via fossilstudier og radiometrisk testing av basalter boret fra havbunnen, for å kartlegge en historie av magnetfeltet. I disse dager er eksistensen av platetektonikk nå nesten universelt akseptert.

Men det er mye mindre enighet om når platetektonikken først begynte. En del av problemet er at jorden ble dannet for omtrent 4.54 milliarder år siden, og i dag er praktisk talt all havskorpe eldre enn 200 millioner år resirkulert tilbake til jorden. Vårt langsiktige arkiv over jordens historie er med andre ord inneholdt i skjulte fjellformasjoner på kontinentene.

Men selv der har de få tilgjengelige bergartene som er igjen fra den første milliarden år blitt betydelig endret av varme, kjemi, fysisk forvitring og ekstremt trykk. Det er derfor ingen er sikre på når platetektonikken startet, med estimater som strekker seg fra mer enn 4 milliarder år siden til bare 700 millioner År siden. Det er en enorm og utilfredsstillende usikkerhet.

Det som er mer merkelig er at de tidligste ubestridte fossile bevisene på liv dateres tilbake 3.5–3.4 milliarder år, med signaturer av liv i sedimentære bergarter som indikerer at liv kan ha eksistert 3.95 milliarder År siden. Så kunne livet ha oppstått hundrevis av millioner av år før platetektonikk var en ting? Med så få originale bergarter som overlever fra denne perioden, er geologer ofte strandet i spekulasjonenes rike.

Zirkoner: tidskapsler fra jordens brennende begynnelse

Heldigvis har geoforskere et hemmelig våpen for å få øyeblikksbilder av forholdene på den tidlige jorden. Si hei til zirkoner – kjemisk stabile mineralfragmenter (ZrSiO₄) som finnes i en rekke farger og geologiske omgivelser. Det fine med zirkoner for geoforskere er at de stort sett forblir upåvirket av endringer i vertsbergarten. De er som en tidskapsel fra den lange perioden.

Spesielt har forskere nylig studert eldgamle zirkoner som krystalliserte i granittbergarter dannet i løpet av jordens første 600 millioner år. I løpet av denne perioden, kjent som Hadean eon, planeten vår var et helvetes sted, sannsynligvis innhyllet i en atmosfære rik på karbondioksid og ofte bombardert av utenomjordiske kropper. En av dem skapte sannsynligvis månen.

Til tross for mangelen på en skorpe, ser det imidlertid ut til at faste bergarter må ha dannet seg fordi et begrenset antall overlever i dag. Intakte bergarter så gamle som 4 milliarder år finnes i Acasta Gneis Complex i det nordvestlige Canada, og de eldste kjente materialene av jordopprinnelse er 4.4 milliarder år gamle zirkonkrystaller funnet i Jack Hills i Australia (Nature Geoscience 10 457). De er plassert i mye nyere, "meta-sedimentære" bergarter.

I denne nye forskningen (Natur 618 531), studerte forskere Jack Hills zirkoner som spenner over perioden for 3.9–3.3 milliarder år siden, samt zirkoner fra samme periode funnet i Barberton Greenstone Belt i Sør-Afrika. Ledet av John Tarduno fra University of Rochester i USA, var forskerne i utgangspunktet interessert i hva zirkonene kunne avsløre om tilstanden til jordens magnetfelt i denne perioden. Det var først senere at de innså at funnene deres hadde langt bredere implikasjoner.

Zirkonkrystaller fra både australske og sørafrikanske steder ble funnet å inneholde inneslutninger av et jernrikt mineral kalt magnetitt, som ble magnetisert av jordens felt på det tidspunktet de ble dannet. Selv om det har gått milliarder av år siden, har denne informasjonen om jordens eldgamle magnetfelt holdt seg låst i zirkonkrystallene hele denne tiden. Faktisk, fordi jordens magnetfelt er en dipol - med en feltstyrke som varierer med breddegrad - kan måling av styrken til gjenværende magnetisering blant zirkons magnetittinnhold avsløre breddegraden der den ble dannet.

Neste utfordring var å datere zirkonprøvene. Beleilig inneholder krystallstrukturen til zirkon også uran, som gradvis forfaller til bly med en kjent hastighet. Forskerne kunne derfor beregne alderen til zirkonkrystallen ut fra forholdet mellom uran og bly, som Tardunos team målte ved hjelp av en selektiv høyoppløselig ionemikroprobe, eller REKER.

Hvis platetektonikk hadde eksistert i løpet av de 600 millioner årene som ble dekket i denne studien, ville du forvente at zirkonkrystallene hadde dannet seg på en rekke breddegrader når platene beveger seg rundt. Det vil igjen bety at zirkonkrystaller vil ha en rekke magnetiseringsstyrker avhengig av hvor gamle de er. Til deres overraskelse oppdaget imidlertid Tarduno og teamet noe helt annet.

Både på de australske og sørafrikanske stedene holdt magnetiseringsstyrken seg nesten konstant for mellom 3.9 og 3.4 milliarder år siden. Dette antyder at begge settene med zirkoner ble dannet på uforandrede breddegrader. Platetektonikken hadde med andre ord ennå ikke startet. Noe av grunnen til denne konklusjonen, forklarer forskerne, er at platene i gjennomsnitt i løpet av de siste 600 millioner årene har beveget seg minst 8500 km i breddegrad. Og i løpet av denne siste perioden har det aldri vært et eksempel på at to plater forblir på konstant breddegrad samtidig.»

Platetektonikken hadde med andre ord ennå ikke startet. Forskerne konkluderer med at jorden sannsynligvis hadde en mer rudimentær variasjon av tektonikk, som fortsatt inkluderte noe kjemisk resirkulering og frakturering av fast stein på jordens overflate.

Den avgjørende forskjellen mellom dagens platetektonikk og dette "stillestående lokk" form for tektonikk er at sistnevnte ikke inkluderer plater som beveger seg horisontalt over overflaten, noe som gjør at varme effektivt kan frigjøres. I stedet ville jorden ha vært en festende verden uten kontinental skorpe, befolket av isolerte områder med tykk oseanisk skorpe atskilt av områder med oppstrømmende magma (figur 1). "Kanskje stillestående lokk er et uheldig navn, siden folk kanskje tror at ingenting skjer," sier Tarduno. "Men det du har er støter av materiale som kommer opp som kan varme bunnen av denne urskorpen og litosfæren."

Mot slutten av studieperioden (3.4–3.3 milliarder år siden) begynner magnetiseringen observert i zirkonkrystallene å styrke seg, noe Tarduno antyder kan indikere utbruddet av platetektonikk. Årsaken er at enorme skorpeplater som synker ned i jordens indre ved subduksjonssoner resulterer i at mantelen avkjøles raskere. I sin tur kan denne prosessen styrke effektiviteten av konveksjon i den ytre kjernen – noe som resulterer i et sterkere geomagnetisk felt.

En 'Gulllokk-situasjon' for tidlig liv?

Hvis grunnleggende liv allerede var til stede nesten en halv milliard år før tektonikk, som antydet av denne studien, reiser det interessante spørsmål om hvordan livet kan overleve i en platetektonisk-mindre verden. Et svakere magnetfelt fra denne stagnerende lokkfasen ville ha gjort jordoverflaten mer utsatt for kosmisk stråling, som vårt nåværende sterke felt skjermer oss fra. Energiske protoner i solvinden ville da ha kollidert med atmosfæriske partikler, ladet opp og gitt energi til dem slik at de kan flykte ut i verdensrommet – i prinsippet fjerne vannet til en hel planet.

Men Tarduno sier at selv den relativt svake magnetiske feltstyrken som ble observert i denne nye studien ville gitt en viss skjerming. Faktisk antyder han at denne ulmende, stillestående formen for tektonikk kan ha skapt en "Goldilocks-situasjon" som ville vært helt riktig for urlivet, fri fra de dramatiske endringene i miljøforhold som kan oppstå i fullverdig platetektonikk.

Det er en fristende idé fordi stillestående lokkformer av tektonikk antas å være vanlige i hele vårt solsystem, og eksisterer på Venus, Merkur og i en mindre dynamisk form på Mars.

For å utvikle forskningen planlegger Tardunos team nå å studere zirkoner av lignende alder fra andre steder, for å gi et bredere spekter av datapunkter. "Vår tilnærming er forskjellig fra tidligere arbeid fordi vi har en indikator på bevegelse," sier han. "Alle argumenter om platetektonikk fra denne tiden i jordhistorien har vært basert på geokjemi - ikke på hovedindikatoren på hva platetektonikk er."

Peter Cawood, en jordforsker ved Monash University i Australia, som ikke var involvert i dette Natur studie, sier at ytterligere forståelse av tidlig jord kan komme fra steder i vårt solsystem hvis overflater ikke gjentatte ganger har blitt resirkulert av platetektonikk. "Mars, månen og meteoritter gir en mer omfattende oversikt over deres tidlige historie," sier han. "Prøver fra disse kroppene, og spesielt potensialet for prøve-retur-oppdrag fra Mars, kan gi viktig ny innsikt i prosesser som virket på den tidlige jorden."

Epoke eller begivenhet? Definere antropocen

Gigantiske sprang på den fronten kan oppstå via Mars Sample Return Mission, planlagt lansert i 2027. Men Cawood regner med at kanskje et mer kritisk spørsmål for utviklingen av det første livet er når nøyaktig vann – en forutsetning for liv – først dukket opp på jorden. "Tidligere arbeid på Jack Hills zirkoner, ved bruk av oksygenisotoper, tyder på at det har vært vann siden minst 4400 millioner år siden," sier han.

For Cawood kan denne forskningen potensielt hjelpe med søket etter liv i vårt solsystem og utover – og til og med vårt konsept om hvordan livet ser ut. "Hvis liv på jorden utviklet seg under denne stillestående lokkfasen, så skjedde dette kanskje også på Mars. Hvis jorden hadde forblitt i en stillestående lokkfase og livet hadde fortsatt å utvikle seg, ville det absolutt sett annerledes ut enn biosfæren vi har i dag. Så, for å parafrasere Spock som snakker til Kirk – 'det er livet Jim, men ikke slik vi kjenner det'.»

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• ChartPrime. Hev handelsspillet ditt med ChartPrime. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/