Cirkoni, tektonika plošč in skrivnost življenja – svet fizike

Tla pod našimi nogami se lahko zdijo trdna in nepremična. Toda v zgodovini Zemlje je bil razmeroma tanek furnir, ki prekriva naš planet, zaradi tektonskih sil večkrat stisnjen, razpokan in preoblikovan. Tektonika plošč lahko premika celine, gradi gorovja ter sproži potrese in vulkane, ko se nakopičena energija nenadoma sprosti.

Čeprav lahko tektonika brez razlikovanja uniči življenje na lokalni ravni, je ključnega pomena tudi za ohranjanje bivalnih pogojev na Zemljinem površju. To je zato, ker se materiali, bogati z ogljikom, reciklirajo nazaj v notranjost Zemlje v »območjih subdukcije« – območjih, kjer je ena plošča potisnjena pod drugo – v procesu, ki pomaga uravnavati ogljikov cikel. Medtem pa vodna para in plini, ki se sproščajo zaradi vulkanske dejavnosti, pomagajo stabilizirati zemeljsko podnebje in atmosferske razmere.

Samo pogledati moramo škodljivo atmosfero Venere – z gostim ogljikovim dioksidom in oblaki žveplove kisline – da vidimo, kaj se lahko zgodi na kamnitem planetu brez tektonike plošč. Zato so mnogi geoznanstveniki domnevali, da je tektonika plošč morala obstajati v času, ko se je pojavilo življenje, v prvi milijardi let zgodovine Zemlje. Tektonika plošč je v bistvu veljala za ključni predpogoj za življenje.

Ampak nove ugotovitve mednarodne raziskovalne skupine kažejo, da bi življenje lahko nastalo pred tektonskimi ploščami – in da bi se življenje z določeno mejo lahko pojavilo najprej. Če delo drži, je naš mladi planet morda doživel daljše obdobje brez premičnih plošč, pod bolj osnovno obliko tektonike, znano kot "stagnirajoči pokrov". Takšen secnario bi, če bi bil potrjen, spremenil naše razumevanje o tem, kako življenje nastane in preživi – in potencialno pomagal pri iskanju življenja zunaj našega planeta.

Na trhlih tleh

Pojem tektonike plošč je danes morda splošno sprejet, vendar je bil dolga leta sporen. Zgodba se je začela leta 1912, ko je nemški znanstvenik alfred wegener predlagal idejo o "kontinentalnem premikanju". Predlagal je, da so bile današnje celine nekoč del veliko večjega superkontinenta, a so se pozneje preselile na svoje trenutne položaje na površju Zemlje. V svoji knjigi Izvor celin in oceanov, je Wegener slavno ugotovil, kako se obale Južne Amerike in Afrike prilegajo skupaj kot sestavljanka, in opisal, kako se podobni fosili pojavljajo v povsem različnih delih sveta.

Wegenerjeva ideja je bila sprva sprejeta s skepso, predvsem zato, ker raziskovalci niso bili prepričani, kaj bi lahko povzročilo premikanje plošč. Odgovor se je začel pojavljati sredi 20. stoletja, ko zemljevid, izdelan v 1953 ameriški geolog in kartograf Marie Tharpe razkril obstoj srednjeoceanskega grebena, ki se razteza čez celoten Atlantski ocean in poteka vzporedno s celinskimi obalami. Ker je v središču velika dolina, je Tharpe trdil, da to kaže, da se oceansko dno širi.

Popolna teorija širjenja morskega dna je bil naknadno predlagan ameriški geolog Harry Hess leta 1962. Predlagal je, da se oceanska skorja nenehno oblikuje na srednjeoceanskih grebenih, kjer staljeni material iz Zemljine notranjosti izvira na površje kot del konvekcijske celice, preden se strdi v novo oceansko dno. To svežo skorjo nato preusmeri vodoravno v obe smeri s kasnejšo dvigajočo se magmo.

Medtem, kjer oceanske plošče mejijo na celine, so starejši deli oceanske skorje potisnjeni pod manj gosto celinsko skorjo v oceanskih jarkih in reciklirani nazaj v notranjost Zemlje. Pravzaprav toneča konica plošče prav tako prispeva k širjenju morskega dna, tako da povleče preostanek plošče za sabo, medtem ko strmoglavi v brezno.

[Vgrajeni vsebina]

Dokazi o širjenju morskega dna so prispeli leta 1963, ko so britanski geologi Frederick Vine in Drummond Matthews pogledal meritve zemeljskega magnetnega polja, ki jih je naredila raziskovalna ladja, ki je potovala čez greben v Indijskem oceanu. Opazili so, da polje ni enotno, ampak je anomalije, ki so potekale v črtah vzporedno z grebenom – in tako rekoč simetrično na obeh straneh – ki se razteza čez oceansko dno. Rekli so, da črte nastanejo, ker se magnetni minerali znotraj novonastalega morskega dna nagibajo k poravnavi z zemeljskim magnetnim poljem, medtem ko se kamnina strjuje. Vsakič, ko se zemeljsko magnetno polje obrne, se oblikujejo novi trakovi – pojav, ki se je v zgodovini Zemlje večkrat zgodil, ko severni pol nenadoma postane južni pol.

Če uporabimo analogijo, je premikajoče se morsko dno podobno kot staromodna kaseta, ki snema vsak obrat geomagnetnega polja. Vsak preobrat je mogoče datirati s študijami fosilov in radiometričnim testiranjem bazaltov, izvrtanih z oceanskega dna, da se prikaže zgodovina magnetnega polja. Dandanes je obstoj tektonike plošč skoraj povsod sprejet.

Toda veliko manj soglasja glede tega, kdaj se je začela tektonika plošč. Del problema je v tem, da je Zemlja nastala pred približno 4.54 milijarde let in da je bila danes praktično vsa oceanska skorja, starejša od 200 milijonov let, reciklirana nazaj v Zemljo. Z drugimi besedami, naš dolgoročni arhiv Zemljine zgodovine je shranjen v skritih kamnitih formacijah na celinah.

Toda tudi tam je nekaj dostopnih kamnin, ki so ostale od prve milijarde let, znatno spremenjeno zaradi vročine, kemije, fizičnega preperevanja in ekstremnih pritiskov. Zato nihče ni prepričan, kdaj se je začela tektonika plošč, ocene pa segajo od več kot Pred 4 milijardami let na samo 700 milijonov pred leti. To je ogromna in nezadovoljiva negotovost.

Še bolj zanimivo je, da prvi nesporni fosilni dokazi o življenju segajo 3.5–3.4 milijarde let nazaj, s podpisi življenja v sedimentnih kamninah, ki kažejo, da je življenje morda obstajalo 3.95 milijard pred leti. Bi se torej življenje lahko pojavilo stotine milijonov let, preden je sploh obstajala tektonika plošč? Ker je iz tega obdobja ohranjenih tako malo originalnih kamnin, so geologi pogosto obtičali v kraljestvu špekulacij.

Cirkoni: časovne kapsule iz ognjenih začetkov Zemlje

Na srečo imajo geoznanstveniki skrivno orožje za pridobivanje posnetkov razmer na zgodnji Zemlji. Pozdravi cirkoni – kemično stabilni drobci mineralov (ZrSiO₄), ki jih najdemo v različnih barvah in geoloških okoljih. Lepota cirkonov za geoznanstvenike je v tem, da nanje spremembe v njihovi gostiteljski kamnini večinoma ne vplivajo. So kot časovna kapsula tistega daljnega obdobja.

Zlasti znanstveniki so pred kratkim preučevali stari cirkoni ki je kristaliziral v granitnih kamninah, ki so nastale v prvih 600 milijonih let Zemlje. V tem obdobju, znanem kot Hadejski eon, je bil naš planet peklensko mesto, verjetno zavito v ozračje, bogato z ogljikovim dioksidom, in pogosto bombardirano s strani nezemeljskih teles. Eden od njih je verjetno ustvaril Luno.

Kljub pomanjkanju skorje pa se zdi, da so morale nastajati trdne kamnine, ker jih je danes preživelo omejeno število. Obstajajo nedotaknjene kamnine, stare 4 milijarde let Kompleks Acasta Gneiss severozahodne Kanade, najstarejši znani materiali zemeljskega izvora pa so stari 4.4 milijarde let kristali cirkona, najdeni v Jack Hillsu v Avstraliji (Narava Geoscience 10 457). Nahajajo se v veliko novejših, "metasedimentnih" kamninah.

V tej novi raziskavi (Narava 618 531), so raziskovalci preučevali cirkone Jack Hills, ki zajemajo obdobje pred 3.9–3.3 milijarde let, kot tudi cirkone iz istega obdobja, najdene v pasu Barberton Greenstone v Južni Afriki. Voden z Janez Tarduno z Univerze Rochester v ZDA je raziskovalce sprva zanimalo, kaj bi cirkoni lahko razkrili o stanju Zemljinega magnetnega polja v tem obdobju. Šele kasneje so ugotovili, da imajo njihove ugotovitve veliko širše posledice.

Ugotovljeno je bilo, da kristali cirkona iz avstralskih in južnoafriških najdišč vsebujejo vključke z železom bogatega minerala, imenovanega magnetit, ki jih je magnetiziralo zemeljsko polje v času, ko so nastali. Čeprav je od tega minilo več milijard let, so te informacije o Zemljinem starodavnem magnetnem polju ves ta čas ostale zaklenjene v kristalih cirkona. Pravzaprav, ker je zemeljsko magnetno polje dipol – s poljsko jakostjo, ki se spreminja glede na zemljepisno širino – lahko merjenje moči preostale magnetizacije med vsebnostjo cirkonovega magnetita razkrije zemljepisno širino, na kateri je nastal.

Naslednji izziv je bilo datiranje vzorcev cirkona. Priročno je, da kristalna struktura cirkona vključuje tudi uran, ki postopoma razpada v svinec z znano hitrostjo. Raziskovalci so tako lahko ugotovili starost kristala cirkona iz razmerja med uranom in svincem, ki ga je Tardunova ekipa izmerila s pomočjo selektivna ionska mikrosonda visoke ločljivosti, ali KOZICA.

Če bi tektonika plošč obstajala v 600 milijonih letih, ki jih pokriva ta študija, potem bi pričakovali, da so se kristali cirkona oblikovali na različnih zemljepisnih širinah, ko se plošče premikajo. To pa bi pomenilo, da bi imeli kristali cirkona različne jakosti magnetizacije, odvisno od starosti. Na njihovo presenečenje pa so Tarduno in ekipa odkrili nekaj zelo drugačnega.

Tako na avstralskem kot južnoafriškem mestu je moč magnetizacije ostala skoraj nespremenjena med 3.9 in 3.4 milijarde let nazaj. To nakazuje, da sta oba niza cirkonov nastajala na nespremenjenih zemljepisnih širinah. Z drugimi besedami, tektonika plošč se še ni začela. Del razloga za ta zaključek, pojasnjujejo raziskovalci, je, da so se plošče v zadnjih 600 milijonih let v povprečju premaknile vsaj 8500 km po zemljepisni širini. In v tem nedavnem obdobju še nikoli ni bilo primera, da bi dve plošči ostali na konstantni zemljepisni širini hkrati."

Z drugimi besedami, tektonika plošč se še ni začela. Raziskovalci sklepajo, da je imela Zemlja verjetno bolj rudimentarno raznolikost tektonike, ki je še vedno vključevala nekaj kemičnega recikliranja in lomljenja trdne kamnine na površju Zemlje.

Bistvena razlika med današnjo tektoniko plošč in tem "stagnirajoči pokrov" oblika tektonike je, da slednja ne vključuje plošč, ki se premikajo vodoravno po površini, kar omogoča učinkovito oddajanje toplote. Namesto tega bi bila Zemlja gnojni svet brez celinske skorje, poseljena z izoliranimi regijami debele oceanske skorje, ločenimi z območji dvigajoče se magme (slika 1). »Morda je stagnirajoči pokrov neposrečeno ime, saj bi ljudje morda mislili, da se nič ne dogaja,« pravi Tarduno. "Toda kar imate, so oblaki materiala, ki se dvigajo in lahko segrejejo dno te prvobitne skorje in litosfere."

Proti koncu študijskega obdobja (pred 3.4–3.3 milijarde let) se začne magnetizacija, opažena v kristalih cirkona, krepiti, kar Tarduno predlaga, da bi lahko kazalo na začetek tektonike plošč. Razlog je v tem, da se ogromne plošče skorje spuščajo v notranjost Zemlje na območjih subdukcije, kar povzroči hitrejše ohlajanje plašča. Po drugi strani pa lahko ta proces okrepi učinkovitost konvekcije v zunanjem jedru – kar ima za posledico močnejše geomagnetno polje.

"Zlatolaska situacija" za zgodnje življenje?

Če je bilo osnovno življenje prisotno že skoraj pol milijarde let pred tektoniko, kot namiguje ta študija, postavlja zanimiva vprašanja o tem, kako bi lahko življenje preživelo v svetu brez tektonskih plošč. Zaradi šibkejšega magnetnega polja iz te faze stagnirajočega pokrova bi bilo zemeljsko površje bolj izpostavljeno kozmičnemu sevanju, pred katerim nas naše trenutno močno polje ščiti. Energični protoni v sončnem vetru bi nato trčili v atmosferske delce, jih naelektrili in napolnili z energijo, da bi lahko pobegnili v vesolje – v bistvu bi celemu planetu odvzeli vodo.

Toda Tarduno pravi, da bi celo razmeroma šibka jakost magnetnega polja, opažena v tej novi študiji, zagotovila nekaj zaščite. Pravzaprav nakazuje, da je ta kipeča, stagnirajoča oblika tektonike morda ustvarila »zlatolaso ​​situacijo«, ki bi bila ravno pravšnja za prvobitno življenje, brez dramatičnih sprememb v okoljskih razmerah, ki se lahko pojavijo v polno razviti tektoniki plošč.

To je mamljiva zamisel, ker se domneva, da so stagnirajoče oblike tektonike pokrova pogoste v našem sončnem sistemu, obstajajo pa na Veneri, Merkurju in v manj dinamični obliki na Marsu.

Za razvoj raziskave Tardunova ekipa zdaj načrtuje preučevanje cirkonov podobne starosti z drugih lokacij, da bi zagotovili širši obseg podatkovnih točk. »Naš pristop se razlikuje od prejšnjega dela, ker imamo indikator gibanja,« pravi. "Vsi argumenti o tektoniki plošč iz tega časa v zgodovini Zemlje so temeljili na geokemiji - ne na glavnem pokazatelju, kaj je tektonika plošč."

Peter Cawood, znanstvenik o zemlji na Univerzi Monash v Avstraliji, ki pri tem ni sodeloval Narava Študija pravi, da lahko nadaljnje razumevanje zgodnje Zemlje izvira iz krajev v našem sončnem sistemu, katerih površine niso bile večkrat reciklirane s tektonskimi ploščami. "Mars, Luna in meteoriti zagotavljajo obsežnejši zapis o njihovi zgodnji zgodovini," pravi. "Vzorci iz teh teles in zlasti potencial za misije vračanja vzorcev z Marsa lahko zagotovijo pomembne nove vpoglede v procese, ki so delovali na zgodnji Zemlji."

Epoha ali dogodek? Opredelitev antropocena

Velikanski skoki na tej fronti se lahko zgodijo prek Misija za vrnitev vzorcev na Mars, ki bo predvidoma izstreljen leta 2027. Toda Cawood meni, da je morda bolj kritično vprašanje za razvoj začetnega življenja to, kdaj se je voda – predpogoj za življenje – prvič pojavila na Zemlji. "Prejšnja dela na cirkonih Jack Hills z uporabo izotopov kisika kažejo, da je voda obstajala že pred vsaj 4400 milijoni let," pravi.

Za Cawooda bi ta raziskava potencialno lahko pomagala pri iskanju življenja v našem sončnem sistemu in zunaj njega – in celo našem konceptu, kako življenje izgleda. »Če se je življenje na Zemlji razvilo med to fazo stagnirajočega pokrova, potem se je to morda zgodilo tudi na Marsu. Če bi Zemlja ostala v fazi stagnirajočega pokrova in bi se življenje še naprej razvijalo, bi zagotovo izgledala drugače od biosfere, ki jo imamo danes. Torej, če parafraziram govor Spocka s Kirkom – 'to je življenje Jim, vendar ne takšno, kot ga poznamo'.«

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/