Жизнь возникла из «застойной мантии», а не из тектоники плит.

Исследование Университета Рочестера с использованием кристаллов циркона показало, что тектонические плиты были неактивны в период, когда на Земле впервые появилась жизнь. Вместо этого работал механизм «застойной шапки», выделяющий тепло через поверхностные трещины. Это открытие бросает вызов традиционному убеждению, что тектоника плит необходима для возникновения жизни, и потенциально меняет наше понимание условий, необходимых для жизни на других планетах.

Ученые совершили путешествие во времени, чтобы разгадать тайны ранней истории Земли, используя крошечные минеральные кристаллы, называемые цирконами, для изучения тектоники плит миллиарды лет назад. Исследование проливает свет на условия, существовавшие на ранней Земле, раскрывая сложное взаимодействие между земной корой, ядром и возникновением жизни.

Тектоника плит позволяет теплу из недр Земли выходить на поверхность, формируя континенты и другие геологические образования, необходимые для возникновения жизни. Соответственно, «было предположение, что тектоника плит необходима для жизни», — говорит Джон Тардуно, профессор кафедры наук о Земле и окружающей среде Рочестерского университета. Но новое исследование ставит под сомнение это предположение.

Тардуно, профессор геофизики Университета Уильяма Р. Кинан-младший, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале. природа Изучите тектонику плит 3,9 миллиарда лет назад, когда, по мнению ученых, на Земле появились первые следы жизни. Исследователи обнаружили, что в это время не происходило никакого движения подвижных тектонических плит. Вместо этого они обнаружили, что Земля выделяет тепло через так называемую застойную систему мантии. Результаты показывают, что, хотя тектоника плит является ключевым фактором для продолжения жизни на Земле, она не является условием возникновения жизни на землеподобной планете.

«Мы обнаружили, что не было тектоники плит, когда впервые возникла мысль о возникновении жизни, и не было тектоники плит в течение сотен миллионов лет после этого», — говорит Тардуно. «Наши данные показывают, что когда мы ищем экзопланеты, на которых есть жизнь, планетам не обязательно нужна тектоника плит».

Неожиданный поворот от изучения циркона

Исследователи изначально не собирались изучать тектонику плит.

«Мы изучали намагниченность цирконов, потому что изучали магнитное поле Земли», — говорит Тардуно.

Цирконы — это крошечные кристаллы, содержащие магнитные частицы, которые могут улавливать намагниченность Земли во время образования цирконов. Датируя цирконы, исследователи могут создать временную шкалу для отслеживания эволюции магнитного поля Земли.

Сила и направление магнитного поля Земли меняются в зависимости от широты. Например, текущее магнитное поле сильнее на полюсах и слабее на экваторе. Вооружившись информацией о магнитных свойствах цирконов, ученые могут определить относительные широты, на которых образовались цирконы. То есть, если эффективность геодинамо — процесса, генерирующего магнитное поле, — постоянна, а напряженность поля меняется в течение периода, то широта, на которой образовались цирконы, также должна меняться.

Но Тардуно и его команда обнаружили обратное: изученные ими цирконы из Южной Африки показали, что примерно 3,9–3,4 миллиарда лет назад напряженность магнитного поля не менялась, а значит, не менялись и широты.

Тардуно говорит, что поскольку тектоника плит включает в себя изменения широты для разных массивов суши, «вероятно, что тектонические движения плит не происходили в это время, и должен быть какой-то другой способ отводить тепло от Земли».

Чтобы подкрепить свои выводы, исследователи обнаружили те же закономерности в цирконах, которые они изучали в Западной Австралии.

«Мы не утверждаем, что цирконы образовались на одном континенте, но, похоже, они сформировались на одной и той же неизменной широте, что подтверждает наш аргумент в пользу того, что в то время не происходило тектоники плит», — говорит Тардуно.

Застойная кепочная тектоника: альтернатива тектонике плит

Земля — это тепловой двигатель, а тектоника плит — это, в конечном счете, выделение тепла Землей. Но тектоническая стагнация мантии, которая приводит к образованию трещин на поверхности Земли, — это еще один способ позволить теплу уйти из недр планеты для формирования континентов и других геологических объектов.

Тектоника плит включает в себя горизонтальное движение и взаимодействие между большими плитами на поверхности Земли. Тардуно и его коллеги сообщают, что в среднем плиты за последние 600 миллионов лет сместились по широте не менее чем на 8500 километров (5280 миль). Напротив, тектоника застойной мантии описывает, как самый внешний слой Земли ведет себя как застойная мантия без активного горизонтального движения плит. Вместо этого внешний слой остается на месте, пока внутренняя часть планеты остывает. Большие шлейфы расплавленного материала, поднимающиеся глубоко в недра Земли, могут вызвать растрескивание внешнего слоя. Движение застойной мантийной тектоники не так эффективно, как движение тектонических плит в высвобождении тепла из мантии Земли, но все же приводит к образованию континентов.

«Ранняя Земля не была планетой, на поверхности которой все было мертво, — говорит Тардуно. Что-то все еще происходило на поверхности земли; Наше исследование показывает, что они не происходили в результате тектоники плит. У нас было по крайней мере достаточно геохимических циклов, обеспечиваемых застойными процессами шапки, чтобы создать условия, подходящие для зарождения жизни».

Сохранение пригодной для жизни планеты

В то время как Земля является единственной известной планетой, испытавшей тектонику плит, другие планеты, такие как[{» 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.