Zircões, placas tectônicas e o mistério da vida – Physics World

O chão sob nossos pés pode parecer sólido e estacionário. Mas ao longo da história da Terra, a camada relativamente fina que cobre o nosso planeta foi repetidamente comprimida, rachada e remodelada por forças tectónicas. As placas tectônicas podem mover continentes, construir cadeias de montanhas e desencadear terremotos e vulcões quando a energia reprimida é liberada repentinamente.

Mas embora a tectónica possa destruir a vida indiscriminadamente a nível local, também é vital para manter condições habitáveis ​​em toda a superfície da Terra. Isto acontece porque os materiais ricos em carbono são reciclados de volta para o interior da Terra em “zonas de subducção” – regiões onde uma placa é colocada sob a outra – num processo que ajuda a regular o ciclo do carbono. Entretanto, o vapor de água e os gases libertados através da actividade vulcânica ajudam a estabilizar o clima e as condições atmosféricas da Terra.

Basta olharmos para a atmosfera nociva de Vénus – com as suas densas nuvens de dióxido de carbono e ácido sulfúrico – para ver o que pode acontecer num planeta rochoso sem placas tectónicas. É por isso que muitos geocientistas presumiram que as placas tectónicas deveriam ter existido na altura em que a vida surgiu, durante os primeiros mil milhões de anos da história da Terra. As placas tectônicas, em essência, eram consideradas um pré-requisito fundamental para a vida.

BUT novas descobertas por uma equipa de investigação internacional indicam que a vida poderia ter precedido as placas tectónicas – e que a vida poderia ter surgido primeiro por alguma margem. Se o trabalho for verdadeiro, o nosso jovem planeta pode ter passado por um período prolongado sem placas móveis, sob uma forma mais rudimentar de tectónica conhecida como “tampa estagnada”. Tal cenário, se confirmado, transformaria a nossa compreensão de como a vida surge e sobrevive – e potencialmente ajudaria na procura de vida fora do nosso planeta.

Em terreno instável

A noção de placas tectônicas pode ser amplamente aceita hoje, mas foi controversa por muitos anos. A história começou em 1912, quando o cientista alemão Alfred Wegener propôs a ideia de “deriva continental”. Ele sugeriu que os continentes de hoje já fizeram parte de um supercontinente muito maior, mas que mais tarde foram levados às suas posições atuais na superfície da Terra. Em seu livro A Origem dos Continentes e Oceanos, Wegener observou como as costas da América do Sul e da África se encaixam como um quebra-cabeças e descreveu como fósseis semelhantes surgem em partes totalmente diferentes do mundo.

A ideia de Wegener foi inicialmente recebida com ceticismo, principalmente porque os investigadores não tinham certeza do que poderia ter feito as placas se moverem. Uma resposta começou a surgir em meados do século XX, quando um mapa produzido em 1953 pelo geólogo e cartógrafo dos EUA Marie Tharpe revelou a existência de uma dorsal meso-oceânica que abrange todo o Oceano Atlântico e corre paralela às costas continentais. Apresentando um enorme vale no centro, Tharpe argumentou que isso indicava que o fundo do oceano estava se expandindo.

Uma teoria completa para a expansão do fundo do mar foi posteriormente proposto pelo geólogo norte-americano Harry Hess em 1962. Ele sugeriu que a crosta oceânica está sendo continuamente formada nas dorsais meso-oceânicas, onde o material derretido do interior da Terra sobe para a superfície como parte de uma célula de convecção, antes de se solidificar no novo fundo do oceano. Esta crosta fresca é então desviada horizontalmente em ambas as direções pela subsequente ressurgência do magma.

Entretanto, onde as placas oceânicas fazem fronteira com os continentes, secções mais antigas da crosta oceânica são empurradas para baixo da crosta continental menos densa, nas fossas oceânicas, e recicladas de volta para o interior da Terra. Na verdade, a ponta afundada da placa também contribui para a expansão do fundo do mar, arrastando o resto da placa para trás enquanto ela cai no abismo.

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A evidência da expansão do fundo do mar chegou em 1963, quando geólogos britânicos Frederico Vinha e Drummond Matheus analisaram medições do campo magnético da Terra feitas por um navio de pesquisa viajando através de uma cordilheira no Oceano Índico. Eles notaram que o campo não era uniforme, mas tinha anomalias que corriam em listras paralelamente à cordilheira – e virtualmente simetricamente em ambos os lados dela – abrangendo o fundo do oceano. Eles disseram que as listras surgem porque os minerais magnéticos no fundo do mar recém-formado tendem a se alinhar com o campo magnético da Terra enquanto a rocha se solidifica. Novas faixas são formadas cada vez que o campo magnético da Terra muda – um fenômeno que ocorreu muitas vezes durante a história da Terra, quando o pólo norte subitamente se torna o pólo sul.

Para usar uma analogia, o fundo do mar em movimento é como uma fita cassete antiquada, registrando cada inversão do campo geomagnético. Cada reversão pode ser datada através de estudos fósseis e testes radiométricos de basaltos perfurados no fundo do oceano, para traçar uma história do campo magnético. Hoje em dia, a existência de placas tectônicas é quase universalmente aceita.

Mas há muito menos acordo sobre quando as placas tectónicas começaram. Parte da questão é que a Terra se formou há cerca de 4.54 mil milhões de anos e hoje praticamente toda a crosta oceânica com mais de 200 milhões de anos foi reciclada de volta para a Terra. O nosso arquivo de longo prazo da história da Terra está, por outras palavras, contido em formações rochosas escondidas nos continentes.

Mas mesmo aí, as poucas rochas acessíveis que restam desde os primeiros mil milhões de anos foram significativamente alteradas pelo calor, pela química, pela meteorização física e por pressões extremas. É por isso que ninguém sabe ao certo quando as placas tectônicas começaram, com estimativas que variam de mais de 4 bilhões de anos atrás para apenas 700 milhões anos atrás. É uma incerteza enorme e insatisfatória.

O que é mais curioso é que a primeira evidência fóssil indiscutível de vida data de 3.5 a 3.4 mil milhões de anos, com assinaturas de vida em rochas sedimentares indicando que a vida pode ter existido. 3.95 bilhões anos atrás. Então, poderia a vida ter surgido centenas de milhões de anos antes que as placas tectônicas existissem? Com tão poucas rochas originais sobreviventes deste período, os geólogos ficam muitas vezes presos no reino da especulação.

Zircões: cápsulas do tempo dos primórdios ardentes da Terra

Felizmente, os geocientistas têm uma arma secreta para obter imagens instantâneas das condições da Terra primitiva. Diga olá para zircões – fragmentos minerais quimicamente estáveis ​​(ZrSiO₄) que são encontrados em uma variedade de cores e ambientes geológicos. A beleza dos zircões para os geocientistas é que eles permanecem praticamente inalterados pelas mudanças na rocha hospedeira. Eles são como uma cápsula do tempo daquele período distante.

Em particular, os cientistas têm estudado recentemente zircões antigos que se cristalizou nas rochas graníticas formadas durante os primeiros 600 milhões de anos da Terra. Nesse período, conhecido como era Hadeana, o nosso planeta era um lugar infernal, provavelmente envolto numa atmosfera rica em dióxido de carbono e frequentemente bombardeado por corpos extraterrestres. Um deles provavelmente criou a Lua.

Apesar da falta de crosta, parece que rochas sólidas devem ter se formado porque um número limitado sobrevive hoje. Rochas intactas com até 4 bilhões de anos existem no Complexo Acasta Gnaisse do noroeste do Canadá, e os materiais mais antigos conhecidos de origem terrestre têm 4.4 bilhões de anos cristais de zircão encontrados em Jack Hills, na Austrália (Nature Geoscience 10 457). Eles estão alojados em rochas “meta-sedimentares” muito mais recentes.

Nesta nova pesquisa (Natureza 618 531), os pesquisadores estudaram zircões de Jack Hills abrangendo o período de 3.9 a 3.3 bilhões de anos atrás, bem como zircões do mesmo período encontrados no Greenstone Belt de Barberton, na África do Sul. Liderado por John tarduno da Universidade de Rochester, nos EUA, os pesquisadores estavam inicialmente interessados ​​no que os zircões poderiam revelar sobre o estado do campo magnético da Terra durante aquele período. Só mais tarde é que perceberam que as suas descobertas tinham implicações muito mais amplas.

Descobriu-se que os cristais de zircão provenientes de locais australianos e sul-africanos continham inclusões de um mineral rico em ferro chamado magnetite, que foram magnetizados pelo campo da Terra no momento em que se formaram. Embora já tenham passado milhares de milhões de anos, esta informação sobre o antigo campo magnético da Terra permaneceu trancada nos cristais de zircão durante todo este tempo. Na verdade, como o campo magnético da Terra é um dipolo – com uma intensidade de campo que varia com a latitude – medir a força da magnetização remanescente entre o conteúdo de magnetite do zircão pode revelar a latitude em que se formou.

O próximo desafio foi datar as amostras de zircão. Convenientemente, a estrutura cristalina do zircão também incorpora urânio, que gradualmente se decompõe em chumbo a uma taxa conhecida. Os pesquisadores puderam, portanto, calcular a idade do cristal de zircão a partir da proporção entre urânio e chumbo, que a equipe de Tarduno mediu usando um microssonda iônica seletiva de alta resoluçãoou CAMARÃO.

Se as placas tectônicas tivessem existido durante os 600 milhões de anos abordados neste estudo, então seria de esperar que os cristais de zircão se formassem em diversas latitudes à medida que as placas se movimentavam. Isso, por sua vez, significaria que os cristais de zircão teriam uma gama de forças de magnetização dependendo de sua idade. Para sua surpresa, porém, Tarduno e equipe descobriram algo muito diferente.

Tanto nos locais australianos como sul-africanos, a força da magnetização permaneceu quase constante entre 3.9 e 3.4 mil milhões de anos atrás. Isto sugere que ambos os conjuntos de zircões estavam se formando em latitudes imutáveis. Em outras palavras, as placas tectônicas ainda não haviam começado. Parte da razão para esta conclusão, explicam os investigadores, é que, em média, as placas durante os últimos 600 milhões de anos moveram-se pelo menos 8500 km em latitude. E durante este período recente, nunca houve um exemplo de duas placas permanecendo simultaneamente em latitude constante.”

Em outras palavras, as placas tectônicas ainda não haviam começado. Os pesquisadores concluem que a Terra provavelmente tinha uma variedade mais rudimentar de tectônica, que ainda incluía alguma reciclagem química e fraturamento de rocha sólida na superfície da Terra.

A diferença crucial entre as placas tectônicas atuais e esta “tampa estagnada” A forma da tectônica é que esta última não inclui placas que se movem horizontalmente pela superfície, o que permite que o calor seja liberado de forma eficiente. Em vez disso, a Terra teria sido um mundo purulento sem crosta continental, povoado por regiões isoladas de espessa crosta oceânica separadas por áreas de magma ascendente (figura 1). “Talvez tampa estagnada seja um nome infeliz, pois as pessoas podem pensar que nada está acontecendo”, diz Tarduno. “Mas o que temos são plumas de material que podem aquecer o fundo desta crosta primordial e da litosfera.”

Perto do final do período de estudo (3.4-3.3 mil milhões de anos atrás), a magnetização observada nos cristais de zircão começa a fortalecer-se, o que Tarduno sugere que poderia indicar o início das placas tectónicas. A razão é que enormes placas de crosta que descem para o interior da Terra em zonas de subducção resultam num arrefecimento mais rápido do manto. Por sua vez, este processo pode fortalecer a eficiência da convecção no núcleo externo – resultando num campo geomagnético mais forte.

Uma 'situação Cachinhos Dourados' para o início da vida?

Se a vida básica já estivesse presente quase meio bilhão de anos antes da tectônica, como está implícito neste estudo, isso levanta questões interessantes sobre como a vida poderia sobreviver em um mundo sem placas tectônicas. Um campo magnético mais fraco desta fase de tampa estagnada teria deixado a superfície da Terra mais exposta à radiação cósmica, da qual o nosso forte campo atual nos protege. Os protões energéticos do vento solar teriam então colidido com partículas atmosféricas, carregando-as e energizando-as para que pudessem escapar para o espaço – em princípio, privando um planeta inteiro da sua água.

Mas Tarduno diz que mesmo a força relativamente fraca do campo magnético observada neste novo estudo teria fornecido alguma blindagem. Na verdade, ele sugere que esta forma latente e estagnada de tectónica pode ter criado uma “situação Cachinhos Dourados” que teria sido ideal para a vida primordial, livre das mudanças dramáticas nas condições ambientais que podem ocorrer em placas tectónicas de pleno direito.

É uma ideia tentadora porque se pensa que formas tectónicas estagnadas são comuns em todo o nosso sistema solar, existindo em Vénus, Mercúrio e numa forma menos dinâmica em Marte.

Para desenvolver a pesquisa, a equipe de Tarduno planeja agora estudar zircões de idades semelhantes de outros locais, para fornecer uma gama mais ampla de dados. “Nossa abordagem é diferente de trabalhos anteriores porque temos um indicador de movimento”, diz ele. “Todos os argumentos sobre as placas tectónicas desta época da história da Terra foram baseados na geoquímica – e não no principal indicador do que é a tectónica de placas.”

Peter Cawood, um cientista da Terra da Universidade Monash, na Austrália, que não esteve envolvido neste Natureza estudo, diz que uma maior compreensão da Terra primitiva pode vir de lugares do nosso sistema solar cujas superfícies não foram repetidamente recicladas pelas placas tectônicas. “Marte, a Lua e os meteoritos fornecem um registo mais extenso da sua história inicial”, diz ele. “As amostras destes corpos, e em particular o potencial para missões de recolha de amostras de Marte, podem fornecer novas informações importantes sobre os processos que atuaram na Terra primitiva.”

Época ou evento? Definindo o Antropoceno

Saltos gigantescos nessa frente podem ocorrer através do Missão de Retorno de Amostra de Marte, com lançamento previsto para 2027. Mas Cawood avalia que talvez uma questão mais crítica para o desenvolvimento da vida inicial seja quando exatamente a água – um pré-requisito para a vida – apareceu pela primeira vez na Terra. “Trabalhos anteriores sobre os zircões de Jack Hills, usando isótopos de oxigênio, sugerem que existe água há pelo menos 4400 milhões de anos”, diz ele.

Para Cawood, esta investigação poderia potencialmente ajudar na procura de vida dentro do nosso sistema solar e fora dele – e até mesmo no nosso conceito de como é a vida. “Se a vida na Terra se desenvolveu durante esta fase de estagnação, então talvez isto também tenha ocorrido em Marte. Se a Terra tivesse permanecido numa fase de tampa estagnada e a vida tivesse continuado a evoluir, certamente seria diferente da biosfera que temos hoje. Então, parafraseando Spock falando com Kirk – ‘é a vida Jim, mas não como a conhecemos’.”

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