Zirkoner, plattektonik och livets mysterium – Physics World

Marken under våra fötter kan verka solid och stillastående. Men genom hela jordens historia har den relativt tunna faner som täcker vår planet upprepade gånger pressats, spruckit och skulpterats av tektoniska krafter. Plattektoniken kan flytta kontinenter, bygga bergskedjor och utlösa jordbävningar och vulkaner när uppdämd energi plötsligt frigörs.

Men även om tektonik kan förstöra liv urskillningslöst på lokal nivå, är det också viktigt för att upprätthålla beboeliga förhållanden över jordens yta. Det beror på att kolrika material återvinns tillbaka till jordens inre i "subduktionszoner" - regioner där en platta trycks under en annan - i en process som hjälper till att reglera kolets kretslopp. Samtidigt hjälper vattenånga och gaser som frigörs genom vulkanisk aktivitet till att stabilisera jordens klimat och atmosfäriska förhållanden.

Vi behöver bara titta på Venus skadliga atmosfär – med dess täta koldioxid- och svavelsyramoln – för att se vad som kan hända på en stenig planet utan plattektonik. Det är därför många geoforskare därför antog att plattektoniken måste ha funnits när livet uppstod, under de första miljarderna av jordens historia. Plattektonik ansågs i huvudsak vara en nyckelförutsättning för liv.

Men nya rön av ett internationellt forskarlag tyder på att livet kunde ha föregått plattektoniken – och att livet kunde ha kommit först med viss marginal. Om arbetet håller, kan vår unga planet ha upplevt en längre period utan rörliga plattor, under en mer rudimentär form av tektonik som kallas ett "stilleståndslock". Ett sådant secnario, om det bekräftas, skulle förändra vår förståelse av hur liv uppstår och överlever – och potentiellt hjälpa i sökandet efter liv bortom vår planet.

På skakig mark

Begreppet plattektonik kan vara allmänt accepterat idag, men det var kontroversiellt i många år. Historien började 1912 när den tyska vetenskapsmannen Alfred Wegener föreslog idén om "kontinentaldrift". Han föreslog att dagens kontinenter en gång var en del av en mycket större superkontinent men senare drev till sina nuvarande positioner på jordens yta. I hans bok Kontinenternas och oceanernas ursprung, Wegener noterade berömt hur kustlinjerna i Sydamerika och Afrika passar ihop som en sticksåg och beskrev hur liknande fossil dyker upp i helt olika delar av världen.

Wegeners idé möttes till en början med skepsis, främst för att forskare var osäkra på vad som kan ha fått plattorna att röra sig. Ett svar började dyka upp i mitten av 20-talet när en karta producerad i 1953 av den amerikanske geologen och kartografen Marie Tharpe avslöjade förekomsten av en ås i mitten av havet som spänner över hela Atlanten och löper parallellt med kontinentala kustlinjer. Med en enorm dal i centrum, hävdade Tharpe att detta tydde på att havsbotten expanderade.

En fullständig teori för spridning av havsbotten föreslogs därefter av amerikansk geolog Harry Hess 1962. Han föreslog att havsskorpan kontinuerligt bildas vid åsar i mitten av havet, där smält material från jordens inre brunnar upp till ytan som en del av en konvektionscell, innan det stelnar till ny havsbotten. Denna färska skorpa shuntas sedan horisontellt i båda riktningarna av efterföljande magma som stiger uppåt.

Under tiden, där oceaniska plattor gränsar till kontinenter, trycks äldre delar av oceanisk skorpa under den mindre täta kontinentala skorpan vid oceaniska skyttegravar och återanvänds tillbaka till jordens inre. Faktum är att plattans sjunkande spets också bidrar till havsbottnens spridning genom att resten av plattan släpas efter medan den störtar ner i avgrunden.

[Inbäddat innehåll]

Bevis för spridning av havsbotten kom 1963 när brittiska geologer Frederick Vine och Drummond Matthews tittat på mätningar av jordens magnetfält tagna av ett forskningsfartyg som färdades över en ås i Indiska oceanen. De märkte att fältet inte var enhetligt, men det hade de anomalier som löpte i ränder parallellt med åsen – och praktiskt taget symmetriskt på vardera sidan om den – som spänner över havsbotten. De sa att ränderna uppstår på grund av att magnetiska mineraler i den nybildade havsbotten tenderar att vara i linje med jordens magnetfält medan berget stelnar. Nya ränder bildas varje gång jordens magnetfält vänder – ett fenomen som har inträffat många gånger under jordens historia när nordpolen plötsligt blir sydpolen.

För att använda en analogi, är den rörliga havsbotten snarare som ett gammaldags kassettband, som spelar in varje omkastning av det geomagnetiska fältet. Varje omkastning kan dateras via fossilstudier och radiometrisk testning av basalter som borrats från havsbotten, för att kartlägga en historia av magnetfältet. Nuförtiden är förekomsten av plattektonik nu nästan allmänt accepterad.

Men det råder mycket mindre enighet om när plattektoniken började. En del av problemet är att jorden bildades för ungefär 4.54 miljarder år sedan och idag har praktiskt taget all oceanisk skorpa äldre än 200 miljoner år återvunnits tillbaka till jorden. Vårt långtidsarkiv över jordens historia finns med andra ord i dolda klippformationer på kontinenterna.

Men även där har de få tillgängliga stenarna som finns kvar från den första miljarden år förändrats avsevärt av värme, kemi, fysisk väderlek och extrema tryck. Det är därför ingen är säker på när plattektoniken började, med uppskattningar som sträcker sig från mer än 4 miljarder år sedan till bara 700 miljoner för flera år sedan. Det är en enorm och otillfredsställande osäkerhet.

Vad som är mer märkligt är att de tidigaste obestridda fossila bevisen på liv går tillbaka 3.5–3.4 miljarder år, med signaturer av liv i sedimentära bergarter som indikerar att liv kan ha funnits 3.95 miljarder för flera år sedan. Så kunde livet ha uppstått hundratals miljoner år innan plattektoniken ens var en sak? Med så få ursprungliga bergarter kvar från denna period, är geologer ofta strandsatta i spekulationsvärlden.

Zirkoner: tidskapslar från jordens eldiga början

Lyckligtvis har geoforskare ett hemligt vapen för att få ögonblicksbilder av förhållandena på den tidiga jorden. Säg hej till zirkoner – kemiskt stabila mineralfragment (ZrSiO₄) som finns i en mängd olika färger och geologiska miljöer. Det fina med zirkoner för geovetare är att de förblir i stort sett opåverkade av förändringar i deras värdberg. De är som en tidskapsel från den långa perioden.

I synnerhet har forskare nyligen studerat gamla zirkoner som kristalliserades i granitstenar som bildades under jordens första 600 miljoner år. Under denna period, känd som Hadean eon, vår planet var en helvetisk plats, troligen höljd i en atmosfär rik på koldioxid och ofta bombarderad av utomjordiska kroppar. En av dem skapade förmodligen månen.

Trots avsaknaden av en skorpa verkar det dock som att fasta bergarter måste ha bildats eftersom ett begränsat antal överlever idag. Intakta stenar så gamla som 4 miljarder år finns i Acasta Gnejskomplex i nordvästra Kanada, och de äldsta kända materialen av jordens ursprung är 4.4 miljarder år gamla zirkonkristaller som finns i Jack Hills i Australien (Nature Geoscience 10 457). De är inrymda i mycket nyare, "meta-sedimentära" bergarter.

I denna nya forskning (Natur 618 531), studerade forskare Jack Hills zirkoner som spänner över perioden för 3.9–3.3 miljarder år sedan, såväl som zirkoner från samma period som hittades i Barberton Greenstone-bältet i Sydafrika. Ledd av John Tarduno från University of Rochester i USA var forskarna till en början intresserade av vad zirkonerna kunde avslöja om tillståndet för jordens magnetfält under den perioden. Det var först senare som de insåg att deras fynd hade mycket bredare implikationer.

Zirkonkristaller från både australiensiska och sydafrikanska platser visade sig innehålla inneslutningar av ett järnrikt mineral som kallas magnetit, som magnetiserades av jordens fält när de bildades. Även om miljarder år har gått sedan dess har denna information om jordens uråldriga magnetfält förblivit låst i zirkonkristallerna hela denna tid. Faktum är att eftersom jordens magnetfält är en dipol – med en fältstyrka som varierar med latitud – kan mätning av styrkan hos kvarvarande magnetisering bland zirkonens magnetitinnehåll avslöja den latitud där den bildades.

Nästa utmaning var att datera zirkonproverna. Lämpligen innehåller zirkons kristallstruktur också uran, som gradvis sönderfaller till bly med en känd hastighet. Forskarna kunde därför räkna ut zirkonkristallens ålder utifrån förhållandet mellan uran och bly, vilket Tardunos team mätte med en selektiv högupplöst jonmikrosond, eller RÄKOR.

Om plattektonik hade funnits under de 600 miljoner år som omfattas av denna studie, skulle du förvänta dig att zirkonkristallerna skulle ha bildats på olika breddgrader när plattorna rör sig. Det skulle i sin tur innebära att zirkonkristaller skulle ha en rad magnetiseringsstyrkor beroende på hur gamla de är. Till sin förvåning upptäckte Tarduno och teamet något helt annat.

På både de australiska och sydafrikanska platserna förblev magnetiseringsstyrkan nästan konstant för mellan 3.9 och 3.4 miljarder år sedan. Detta tyder på att båda uppsättningarna av zirkoner bildades på oföränderliga breddgrader. Plattektoniken hade med andra ord ännu inte börjat. En del av anledningen till denna slutsats, förklarar forskarna, är att plattorna i genomsnitt under de senaste 600 miljoner åren har flyttat sig minst 8500 km på latitud. Och under den här senaste perioden har det aldrig funnits ett exempel på två plattor som stannat kvar på konstant breddgrad samtidigt.”

Plattektoniken hade med andra ord ännu inte börjat. Forskarna drar slutsatsen att jorden sannolikt hade en mer rudimentär variation av tektonik, som fortfarande inkluderade viss kemisk återvinning och sprickbildning av fast berg på jordens yta.

Den avgörande skillnaden mellan dagens plattektonik och detta "stillestående lock" form av tektonik är att den senare inte inkluderar plattor som rör sig horisontellt över ytan, vilket gör att värme effektivt kan frigöras. Istället skulle jorden ha varit en häftig värld utan kontinental skorpa, befolkad av isolerade regioner med tjock oceanisk skorpa åtskilda av områden med uppväxande magma (figur 1). "Kanske är stillastående lock ett olyckligt namn eftersom folk kanske tror att ingenting är på gång", säger Tarduno. "Men vad du har är plymer av material som kommer upp som kan värma botten av denna urskorpa och litosfär."

Mot slutet av studieperioden (3.4–3.3 miljarder år sedan) börjar magnetiseringen som observerades i zirkonkristallerna förstärkas, vilket Tarduno antyder kan indikera början av plattektonik. Anledningen är att enorma plattor av skorpa som faller ner i jordens inre vid subduktionszoner resulterar i att manteln kyls snabbare. I sin tur kan denna process stärka konvektionseffektiviteten i den yttre kärnan – vilket resulterar i ett starkare geomagnetiskt fält.

En "Goldilocks situation" för tidigt liv?

Om grundläggande liv redan var närvarande nästan en halv miljard år före tektoniken, vilket antyds av denna studie, väcker det intressanta frågor om hur liv kan överleva i en plattektonisk värld. Ett svagare magnetfält från denna stagnerande lockfas skulle ha lämnat jordens yta mer utsatt för kosmisk strålning, som vårt nuvarande starka fält skyddar oss från. Energirika protoner i solvinden skulle då ha kolliderat med atmosfäriska partiklar, laddat och aktiverat dem så att de kan fly ut i rymden – i princip, beröva en hel planet från dess vatten.

Men Tarduno säger att även den relativt svaga magnetfältstyrkan som observerades i denna nya studie skulle ha gett en viss avskärmning. I själva verket antyder han att denna sjudande, stillastående form av tektonik kan ha skapat en "Goldilocks-situation" som skulle ha varit helt rätt för urliv, fri från de dramatiska förändringar i miljöförhållanden som kan uppstå i fullfjädrad plattektonik.

Det är en lockande idé eftersom stagnerande lockformer av tektonik tros vara vanliga i hela vårt solsystem, existerande på Venus, Merkurius och i en mindre dynamisk form på Mars.

För att utveckla forskningen planerar Tardunos team nu att studera zirkoner i liknande åldrar från andra platser, för att ge ett bredare utbud av datapunkter. "Vårt tillvägagångssätt skiljer sig från tidigare arbete eftersom vi har en indikator på rörelse", säger han. "Alla argument om plattektonik från denna tid i jordens historia har varit baserade på geokemi - inte på den huvudsakliga indikatorn på vad plattektonik är."

Peter Cawood, en jordforskare vid Monash University i Australien, som inte var inblandad i detta Natur studie, säger att ytterligare förståelse för den tidiga jorden kan komma från platser i vårt solsystem vars ytor inte upprepade gånger har återvunnits av plattektonik. "Mars, månen och meteoriter ger en mer omfattande registrering av deras tidiga historia", säger han. "Prover från dessa kroppar, och i synnerhet potentialen för prov-returuppdrag från Mars, kan ge viktiga nya insikter om processer som verkade på den tidiga jorden."

Epok eller händelse? Definiera antropocen

Jättesprång på den fronten kan ske via Mars Sample Return Mission, planerad att lanseras 2027. Men Cawood menar att en kanske mer kritisk fråga för utvecklingen av initialt liv är när exakt vatten – en förutsättning för liv – först dök upp på jorden. "Tidigare arbete på Jack Hills zirkoner, med användning av syreisotoper, tyder på att det har funnits vatten sedan minst 4400 miljoner år sedan", säger han.

För Cawood kan denna forskning potentiellt hjälpa till med sökandet efter liv inom vårt solsystem och bortom – och till och med vår uppfattning om hur livet ser ut. "Om livet på jorden utvecklades under denna stagnerande lockfas, så kanske detta också inträffade på Mars. Om jorden hade förblivit i en stagnerande lockfas och livet hade fortsatt att utvecklas skulle det säkerligen se annorlunda ut än den biosfär vi har idag. Så, för att parafrasera Spock när han pratar med Kirk – "det är livet Jim, men inte som vi känner det".

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• ChartPrime. Höj ditt handelsspel med ChartPrime. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/