Cyrkonie, tektonika płyt i tajemnica życia – Świat Fizyki

Ziemia pod naszymi stopami może wydawać się solidna i nieruchoma. Jednak w całej historii Ziemi stosunkowo cienka warstwa pokrywająca naszą planetę była wielokrotnie ściskana, pękana i przekształcana przez siły tektoniczne. Tektonika płyt może przesuwać kontynenty, tworzyć pasma górskie oraz wywoływać trzęsienia ziemi i wulkany, gdy nagle uwolniona zostanie stłumiona energia.

Choć tektonika może bezkrytycznie niszczyć życie na poziomie lokalnym, jest również niezbędna do utrzymania warunków mieszkalnych na całej powierzchni Ziemi. Dzieje się tak, ponieważ materiały bogate w węgiel są zawracane z powrotem do wnętrza Ziemi w „strefach subdukcji” – obszarach, w których jedna płyta jest wciskana pod drugą – w procesie, który pomaga regulować obieg węgla. Tymczasem para wodna i gazy uwalniane w wyniku aktywności wulkanicznej pomagają ustabilizować klimat i warunki atmosferyczne na Ziemi.

Wystarczy spojrzeć na szkodliwą atmosferę Wenus – z jej gęstymi chmurami dwutlenku węgla i kwasu siarkowego – aby zobaczyć, co może się wydarzyć na skalistej planecie bez tektoniki płyt. Dlatego też wielu geologów założyło, że tektonika płyt musiała istnieć już w momencie pojawienia się życia, czyli w ciągu pierwszego miliarda lat historii Ziemi. W istocie tektonika płyt była uważana za kluczowy warunek życia.

Ale nowe odkrycia przeprowadzone przez międzynarodowy zespół badawczy wskazują, że życie mogło poprzedzać tektonikę płyt i że w pewnym stopniu życie mogło pojawić się na pierwszym miejscu. Jeśli te badania się potwierdzą, nasza młoda planeta mogła doświadczać długiego okresu bez ruchomych płyt, pod wpływem bardziej prymitywnej formy tektoniki zwanej „stagnacyjną pokrywą”. Takie seknario, jeśli zostanie potwierdzone, zmieni nasze zrozumienie tego, jak życie pojawia się i przetrwa – i potencjalnie pomoże w poszukiwaniu życia poza naszą planetą.

Na chwiejnym gruncie

Pojęcie tektoniki płyt może być dziś powszechnie akceptowane, ale przez wiele lat budziło kontrowersje. Historia zaczęła się w 1912 roku, kiedy niemiecki naukowiec Alfred Wegener zaproponował ideę „dryfu kontynentalnego”. Zasugerował, że dzisiejsze kontynenty były kiedyś częścią znacznie większego superkontynentu, ale później przeniosły się na swoje obecne pozycje na powierzchni Ziemi. W swojej książce Pochodzenie kontynentów i oceanówWegener zasłynął z obserwacji, jak wybrzeża Ameryki Południowej i Afryki pasują do siebie niczym układanka, i opisał, jak podobne skamieniałości pojawiają się w zupełnie różnych częściach świata.

Pomysł Wegenera początkowo spotkał się ze sceptycyzmem, głównie dlatego, że badacze nie byli pewni, co mogło spowodować ruch płyt. Odpowiedź zaczęła pojawiać się w połowie XX wieku, kiedy mapa wyprodukowana w 1953 przez amerykańskiego geologa i kartografa Marii Tharpe ujawniło istnienie grzbietu śródoceanicznego rozciągającego się na cały Ocean Atlantycki i biegnącego równolegle do wybrzeży kontynentalnych. Tharpe argumentował, że z ogromną doliną pośrodku wskazuje to na rozszerzanie się dna oceanu.

Pełna teoria rozprzestrzeniania się na dnie morskim został następnie zaproponowany przez amerykańskiego geologa Harry'ego Hessa w 1962 roku. Zasugerował, że skorupa oceaniczna stale tworzy się na grzbietach śródoceanicznych, gdzie stopiony materiał z wnętrza Ziemi wypływa na powierzchnię w ramach komórki konwekcyjnej, zanim zestali się, tworząc nowe dno oceanu. Ta świeża skorupa jest następnie przemieszczana poziomo w obu kierunkach przez późniejszą magmę upwellingową.

Tymczasem tam, gdzie płyty oceaniczne graniczą z kontynentami, starsze fragmenty skorupy oceanicznej są wpychane pod mniej gęstą skorupę kontynentalną w rowach oceanicznych i zawracane z powrotem do wnętrza Ziemi. W rzeczywistości tonący wierzchołek płyty również przyczynia się do rozprzestrzeniania się dna morskiego, ciągnąc za sobą resztę płyty, gdy ta opada w otchłań.

[Osadzone treści]

Dowody na rozprzestrzenianie się dna morskiego pojawiły się w 1963 roku, kiedy brytyjscy geolodzy Fryderyk Vine i Drummonda Matthewsa przyjrzeli się pomiarom ziemskiego pola magnetycznego wykonanym przez statek badawczy przepływający przez grzbiet Oceanu Indyjskiego. Zauważyli, że pole nie jest jednolite, ale tak było anomalie, które biegły w paski równolegle do grzbietu – i praktycznie symetrycznie po obu jego stronach – rozciągając się na dno oceanu. Powiedzieli, że paski powstają, ponieważ minerały magnetyczne w nowo powstającym dnie morskim mają tendencję do wyrównywania się z polem magnetycznym Ziemi podczas krzepnięcia skały. Nowe paski powstają za każdym razem, gdy zmienia się pole magnetyczne Ziemi – jest to zjawisko, które miało miejsce wiele razy w historii Ziemi, kiedy biegun północny nagle stał się biegunem południowym.

Używając analogii, ruchome dno morskie przypomina raczej staromodną kasetę magnetofonową, rejestrującą każde odwrócenie pola geomagnetycznego. Każde odwrócenie można datować na podstawie badań skamieniałości i testów radiometrycznych bazaltów wydobytych z dna oceanu, aby sporządzić wykres historii pola magnetycznego. Obecnie istnienie tektoniki płyt jest obecnie niemal powszechnie akceptowane.

Jednak nie ma zgody co do tego, kiedy po raz pierwszy rozpoczęła się tektonika płyt. Częścią problemu jest to, że Ziemia powstała około 4.54 miliarda lat temu, a obecnie praktycznie cała skorupa oceaniczna starsza niż 200 milionów lat została zawrócona z powrotem na Ziemię. Innymi słowy, nasze długoterminowe archiwum historii Ziemi mieści się w ukrytych formacjach skalnych na kontynentach.

Ale nawet tam nieliczne dostępne skały, które pozostały z pierwszego miliarda lat, uległy znaczącym zmianom pod wpływem ciepła, chemii, wietrzenia fizycznego i ekstremalnych ciśnień. Dlatego nikt nie jest pewien, kiedy rozpoczęła się tektonika płyt – szacunki wahają się od ponad 4 miliardy lat temu do zaledwie 700 milionów Lata temu. To duża i niezadowalająca niepewność.

Co bardziej ciekawe, najwcześniejsze niekwestionowane skamieniałości potwierdzają istnienie życia datowane na 3.5–3.4 miliarda lat, a ślady życia w skałach osadowych wskazują, że życie mogło istnieć 3.95 mld Lata temu. Czy zatem życie mogło pojawić się setki milionów lat przed pojawieniem się tektoniki płyt? Ponieważ z tego okresu zachowało się tak niewiele oryginalnych skał, geolodzy często pozostają w sferze spekulacji.

Cyrkonie: kapsuły czasu z ognistych początków Ziemi

Na szczęście geologowie dysponują tajną bronią pozwalającą uzyskać migawki warunków panujących na wczesnej Ziemi. Powiedz cześć cyrkonie – chemicznie stabilne fragmenty minerałów (ZrSiO₄), które występują w różnych kolorach i warunkach geologicznych. Piękno cyrkonii dla geologów polega na tym, że w dużej mierze pozostają one nienaruszone zmianami w skale macierzystej. Są jak kapsuła czasu z tego odległego okresu.

W szczególności naukowcy niedawno badali starożytne cyrkonie który krystalizował się w granitowych skałach powstałych w ciągu pierwszych 600 milionów lat istnienia Ziemi. W tym okresie, tzw Hadeański eon, nasza planeta była piekielnym miejscem, prawdopodobnie spowita atmosferą bogatą w dwutlenek węgla i często bombardowana przez ciała pozaziemskie. Jeden z nich prawdopodobnie stworzył Księżyc.

Jednak pomimo braku skorupy wydaje się, że musiały się uformować solidne skały, ponieważ do dziś przetrwała ich ograniczona liczba. Istnieją nienaruszone skały mające nawet 4 miliardy lat Kompleks Acosta Gnejs północno-zachodniej Kanady, a najstarsze znane materiały pochodzenia ziemskiego datowane są na 4.4 miliarda lat kryształy cyrkonu znalezione w Jack Hills w Australii (Nature Geoscience 10 457). Znajdują się one w znacznie nowszych, „meta-osadowych” skałach.

W tym nowym badaniu (Natura 618 531) badacze badali cyrkonie Jack Hills pochodzące z okresu 3.9–3.3 miliarda lat temu, a także cyrkonie z tego samego okresu znalezione w pasie Barberton Greenstone w Republice Południowej Afryki. Prowadzone przez Jan Tarduno z Uniwersytetu w Rochester w USA badacze byli początkowo zainteresowani tym, co cyrkonie mogą ujawnić na temat stanu pola magnetycznego Ziemi w tym okresie. Dopiero później zdali sobie sprawę, że ich odkrycia mają znacznie szersze implikacje.

Stwierdzono, że kryształy cyrkonu pochodzące zarówno z Australii, jak i Republiki Południowej Afryki zawierają wtrącenia bogatego w żelazo minerału zwanego magnetytem, ​​który w momencie powstania został namagnesowany przez pole ziemskie. Mimo że od tego czasu minęły miliardy lat, informacja o starożytnym polu magnetycznym Ziemi przez cały czas pozostawała zamknięta w kryształach cyrkonu. W rzeczywistości, ponieważ ziemskie pole magnetyczne jest dipolem – którego natężenie zmienia się w zależności od szerokości geograficznej – pomiar siły pozostałości namagnesowania wśród zawartości magnetytu w cyrkonie może ujawnić szerokość geograficzną, na której się on utworzył.

Kolejnym wyzwaniem było datowanie próbek cyrkonu. Dogodnie, struktura krystaliczna cyrkonu zawiera również uran, który stopniowo rozpada się na ołów w znanym tempie. Naukowcy mogli zatem określić wiek kryształu cyrkonu na podstawie stosunku uranu do ołowiu, który zespół Tarduno zmierzył za pomocą selektywna mikrosonda jonowa o wysokiej rozdzielczościlub KREWETKI.

Jeśli w ciągu 600 milionów lat objętych tym badaniem istniała tektonika płyt, można by się spodziewać, że kryształy cyrkonu uformowały się na różnych szerokościach geograficznych w miarę ruchu płyt. To z kolei oznaczałoby, że kryształy cyrkonu miałyby różną siłę magnesowania w zależności od ich wieku. Jednak ku ich zaskoczeniu Tarduno i zespół odkryli coś zupełnie innego.

Zarówno w Australii, jak i w Afryce Południowej siła namagnesowania pozostawała prawie stała między 3.9 a 3.4 miliarda lat temu. Sugeruje to, że oba zestawy cyrkonii tworzyły się na niezmieniających się szerokościach geograficznych. Innymi słowy, tektonika płyt jeszcze się nie rozpoczęła. Naukowcy wyjaśniają, że jednym z powodów tego wniosku jest fakt, że w ciągu ostatnich 600 milionów lat płyty przesunęły się średnio o co najmniej 8500 km szerokości geograficznej. A w ostatnim okresie nigdy nie zdarzyło się, aby dwie płyty znajdowały się jednocześnie na stałej szerokości geograficznej”.

Innymi słowy, tektonika płyt jeszcze się nie rozpoczęła. Naukowcy doszli do wniosku, że na Ziemi prawdopodobnie występowała bardziej podstawowa odmiana tektoniki, która nadal obejmowała pewien recykling chemiczny i pękanie litej skały na powierzchni Ziemi.

Zasadnicza różnica między dzisiejszą tektoniką płyt a tą „zastająca pokrywa” Forma tektoniki polega na tym, że ta ostatnia nie obejmuje płyt poruszających się poziomo po powierzchni, co pozwala na efektywne uwalnianie ciepła. Zamiast tego Ziemia byłaby ropiejącym światem bez skorupy kontynentalnej, zamieszkanym przez izolowane obszary grubej skorupy oceanicznej oddzielone obszarami wynurzającej się magmy (ryc. 1). „Być może stojąca pokrywa to niefortunna nazwa, ponieważ ludzie mogą pomyśleć, że nic się nie dzieje” – mówi Tarduno. „Ale to, co mamy, to unoszące się w powietrzu pióropusze materiału, które mogą ogrzać dno pierwotnej skorupy i litosfery”.

Pod koniec okresu badań (3.4–3.3 miliarda lat temu) namagnesowanie obserwowane w kryształach cyrkonu zaczyna się wzmacniać, co według Tarduno może wskazywać na początek tektoniki płyt. Powodem jest to, że ogromne płyty skorupy schodzące do wnętrza Ziemi w strefach subdukcji powodują szybsze chłodzenie płaszcza. Z kolei proces ten może wzmocnić efektywność konwekcji w jądrze zewnętrznym – skutkując silniejszym polem geomagnetycznym.

„Sytuacja Złotowłosej” na początku życia?

Jeżeli, jak wynika z tego badania, podstawowe życie istniało już prawie pół miliarda lat przed tektoniką, rodzi to interesujące pytania dotyczące tego, jak życie mogłoby przetrwać w świecie pozbawionym płyt tektonicznych. Słabsze pole magnetyczne pochodzące z fazy zastoju pokrywy spowodowałoby, że powierzchnia Ziemi byłaby bardziej narażona na promieniowanie kosmiczne, przed którym chroni nas nasze obecne silne pole. Energetyczne protony w wietrze słonecznym zderzałyby się wówczas z cząsteczkami atmosferycznymi, ładując je i energetyzując, tak aby mogły uciec w przestrzeń kosmiczną – w zasadzie pozbawiając całą planetę wody.

Tarduno twierdzi jednak, że nawet stosunkowo słabe natężenie pola magnetycznego zaobserwowane w tym nowym badaniu zapewniłoby pewne ekranowanie. W rzeczywistości sugeruje, że ta kipiąca, stagnacyjna forma tektoniki mogła stworzyć „sytuację Złotowłosej”, która byłaby idealna dla pierwotnego życia, wolnego od dramatycznych zmian warunków środowiskowych, które mogą wystąpić w przypadku w pełni rozwiniętej tektoniki płyt.

To kuszący pomysł, ponieważ uważa się, że stagnacyjne formy tektoniki są powszechne w całym Układzie Słonecznym i występują na Wenus, Merkurym oraz w mniej dynamicznej formie na Marsie.

Aby rozwinąć badania, zespół Tarduno planuje teraz zbadać cyrkonie w podobnym wieku z innych lokalizacji, aby uzyskać szerszy zakres punktów danych. „Nasze podejście różni się od poprzednich prac, ponieważ mamy wskaźnik ruchu” – mówi. „Wszystkie argumenty na temat tektoniki płyt z tego okresu w historii Ziemi opierały się na geochemii, a nie na głównym wskaźniku tego, czym jest tektonika płyt”.

Petera Cawooda, naukowiec zajmujący się Ziemią na Uniwersytecie Monash w Australii, który nie był w to zaangażowany Natura badania mówią, że dalsze zrozumienie wczesnej Ziemi może pochodzić z miejsc w naszym Układzie Słonecznym, których powierzchnie nie były wielokrotnie poddawane recyklingowi w wyniku tektoniki płyt. „Mars, Księżyc i meteoryty dostarczają szerszego zapisu ich wczesnej historii” – mówi. „Próbki z tych ciał, a w szczególności potencjał misji pobierania próbek z Marsa, mogą dostarczyć nowych, ważnych informacji na temat procesów zachodzących na wczesnej Ziemi”.

Epoka czy wydarzenie? Definiowanie antropocenu

Gigantyczne skoki na tym froncie mogą nastąpić za pośrednictwem Misja zwrotu próbki na Marsa, którego wystrzelenie zaplanowano na 2027 r. Cawood uważa jednak, że być może bardziej krytyczną kwestią dla rozwoju początkowego życia jest to, kiedy dokładnie woda – warunek wstępny życia – pojawiła się po raz pierwszy na Ziemi. „Wcześniejsze prace nad cyrkoniami w Jack Hills, w których wykorzystano izotopy tlenu, sugerują, że woda istniała co najmniej 4400 milionów lat temu” – mówi.

Dla Cawood badania te mogą potencjalnie pomóc w poszukiwaniu życia w Układzie Słonecznym i poza nim, a nawet w naszej koncepcji tego, jak życie wygląda. „Jeśli życie na Ziemi rozwinęło się w fazie stagnacji pokrywy, być może wydarzyło się to również na Marsie. Gdyby Ziemia pozostawała w fazie stagnacji pokrywy, a życie nadal ewoluowałoby, z pewnością wyglądałaby inaczej niż biosfera, którą mamy dzisiaj. Zatem, parafrazując rozmowę Spocka z Kirkiem – „to jest życie, Jim, ale nie takie, jakie znamy”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• ChartPrime. Podnieś poziom swojej gry handlowej dzięki ChartPrime. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/