Život povstal ze „stagnujícího pláště“, nikoli z deskové tektoniky

Studie z University of Rochester pomocí krystalů zirkonu zjistila, že tektonické desky byly neaktivní v období, kdy se na Zemi poprvé objevil život. Místo toho byl v provozu mechanismus „stagnující čepice“, který uvolňoval teplo skrz povrchové trhliny. Tento objev zpochybňuje tradiční přesvědčení, že desková tektonika je nezbytná pro vznik života, a potenciálně přetváří naše chápání podmínek nezbytných pro život na jiných planetách.

Vědci se vydali na cestu zpět v čase, aby odhalili záhady rané historie Země a použili drobné minerální krystaly zvané zirkony ke studiu deskové tektoniky před miliardami let. Výzkum vrhá světlo na podmínky, které existovaly na rané Zemi, a odhaluje složitou interakci mezi zemskou kůrou, jádrem a vznikem života.

Desková tektonika umožňuje teplu z nitra Země unikat na povrch a formovat kontinenty a další geologické prvky potřebné pro vznik života. V souladu s tím „existoval předpoklad, že desková tektonika je nezbytná pro život,“ říká John Tarduno, profesor na katedře věd o Zemi a životním prostředí na University of Rochester. Nový výzkum však tento předpoklad zpochybňuje.

Tarduno, profesor geofyziky na William R. Keenan Jr., který je hlavním autorem článku publikovaného v časopise. Příroda Studujte deskovou tektoniku před 3,9 miliardami let, kdy se vědci domnívají, že se na Zemi objevily první stopy života. Vědci zjistili, že během této doby nedocházelo k žádnému pohybu pohyblivých tektonických desek. Místo toho zjistili, že Země uvolňuje teplo prostřednictvím systému známého jako stagnující plášťový systém. Výsledky naznačují, že ačkoli je desková tektonika klíčovým faktorem pro pokračování života na Zemi, není podmínkou pro vznik života na planetě podobné Zemi.

„Zjistili jsme, že neexistovala žádná desková tektonika, když se poprvé myslelo, že vznikl život, a žádná desková tektonika neexistovala stovky milionů let poté,“ říká Tarduno. „Naše data naznačují, že když hledáme exoplanety, které ukrývají život, planety nutně nepotřebují deskovou tektoniku.“

Nečekaný obrat ze zirkonové pracovny

Badatelé se původně nepustili do studia deskové tektoniky.

„Studovali jsme magnetizaci zirkonů, protože jsme studovali magnetické pole Země,“ říká Tarduno.

Zirkony jsou drobné krystaly, které obsahují magnetické částice, které dokážou zachytit magnetizaci Země v době, kdy zirkony vznikaly. Datováním zirkonů mohou vědci vytvořit časovou osu pro sledování vývoje magnetického pole Země.

Síla a směr magnetického pole Země se mění v závislosti na zeměpisné šířce. Například současné magnetické pole je silnější na pólech a slabší na rovníku. Vyzbrojeni informacemi o magnetických vlastnostech zirkonů mohou vědci odvodit relativní zeměpisné šířky, ve kterých se zirkony vytvořily. To znamená, že pokud je účinnost geodynama – procesu, který generuje magnetické pole – konstantní a intenzita pole se v průběhu periody mění, pak se musí změnit i zeměpisná šířka, ve které se zirkony tvoří.

Tarduno a jeho tým však objevili opak: Zirkony, které studovali z Jižní Afriky, naznačovaly, že přibližně před 3,9 až 3,4 miliardami let se síla magnetického pole nezměnila, což znamená, že se nezměnily ani zeměpisné šířky.

Vzhledem k tomu, že desková tektonika zahrnuje změny zeměpisné šířky pro různé zemské masy, Tarduno říká, „je pravděpodobné, že během této doby nedošlo k pohybům deskové tektoniky a musí existovat nějaký jiný způsob, jak odvést teplo ze Země.“

Aby posílili svá zjištění, našli vědci v zirkonech stejné vzory, které studovali v Západní Austrálii.

„Neříkáme, že zirkony vznikly na stejném kontinentu, ale zdá se, že vznikly ve stejné neměnné zeměpisné šířce, což posiluje náš argument, že v této době nedošlo k žádnému pohybu deskové tektoniky,“ říká Tarduno.

Stagnující čepicová tektonika: alternativa k deskové tektonice

Země je tepelný stroj a desková tektonika je v konečném důsledku uvolňováním tepla ze Země. Ale tektonická stagnace pláště – která má za následek praskliny na zemském povrchu – je dalším způsobem, jak umožnit únik tepla z nitra planety, aby se vytvořily kontinenty a další geologické útvary.

Desková tektonika zahrnuje horizontální pohyb a interakci mezi velkými deskami na zemském povrchu. Tarduno a jeho kolegové uvádějí, že v průměru se desky za posledních 600 milionů let posunuly v zeměpisné šířce nejméně o 8 500 kilometrů (5 280 mil). Oproti tomu stagnující plášťová tektonika popisuje, jak se nejvzdálenější vrstva Země chová jako stagnující plášť bez aktivního horizontálního pohybu desek. Místo toho vnější vrstva zůstává na svém místě, zatímco se vnitřek planety ochlazuje. Velké oblaky roztaveného materiálu stoupající hluboko do nitra Země mohou způsobit prasknutí vnější vrstvy. Pohyb stagnující tektoniky pláště není tak účinný jako pohyb tektonických desek při uvolňování tepla ze zemského pláště, ale stále vede ke vzniku kontinentů.

„První Země nebyla planetou, kde bylo na povrchu všechno mrtvé,“ říká Tarduno. Na povrchu země se stále děly věci; Náš výzkum ukazuje, že se nevyskytovaly prostřednictvím deskové tektoniky. Měli jsme alespoň dostatek geochemických cyklů poskytovaných stagnujícími procesy víček, abychom vytvořili podmínky vhodné pro vznik života.“

Zachování obyvatelné planety

Zatímco Země je jedinou známou planetou, která zažila deskovou tektoniku, jiné planety jako např[{“ attribute=““>Venus, experience stagnant lid tectonics, Tarduno says.

“People have tended to think that stagnant lid tectonics would not build a habitable planet because of what is happening on Venus,” he says. “Venus is not a very nice place to live: it has a crushing carbon dioxide atmosphere and sulfuric acid clouds. This is because heat is not being removed effectively from the planet’s surface.”

Without plate tectonics, Earth may have met a similar fate. While the researchers hint that plate tectonics may have started on Earth soon after 3.4 billion years, the geology community is divided on a specific date.

“We think plate tectonics, in the long run, is important for removing heat, generating the magnetic field, and keeping things habitable on our planet,” Tarduno says. “But, in the beginning, and a billion years after, our data indicates that we didn’t need plate tectonics.”

Reference: “Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism” by John A. Tarduno, Rory D. Cottrell, Richard K. Bono, Nicole Rayner, William J. Davis, Tinghong Zhou, Francis Nimmo, Axel Hofmann, Jaganmoy Jodder, Mauricio Ibañez-Mejia, Michael K. Watkeys, Hirokuni Oda and Gautam Mitra, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06024-5

The team included researchers from four US institutions and institutions in Canada, Japan, South Africa, and the United Kingdom. The research was funded by the US National Science Foundation.