Das Leben entstand im „stagnierenden Erdmantel“, nicht durch Plattentektonik

Eine Studie der Universität Rochester mit Zirkonkristallen ergab, dass tektonische Platten in der Zeit, als das Leben auf der Erde zum ersten Mal auftauchte, inaktiv waren. Stattdessen war ein „Stagnationskappen“-Mechanismus in Betrieb, der Wärme durch Oberflächenrisse abgab. Diese Entdeckung stellt den traditionellen Glauben in Frage, dass die Plattentektonik für die Entstehung des Lebens von wesentlicher Bedeutung ist, und verändert möglicherweise unser Verständnis der Bedingungen, die für das Leben auf anderen Planeten erforderlich sind.

Wissenschaftler haben eine Reise in die Vergangenheit unternommen, um die Geheimnisse der Frühgeschichte der Erde zu lüften. Dabei haben sie winzige Mineralkristalle namens Zirkone verwendet, um die Plattentektonik vor Milliarden von Jahren zu untersuchen. Die Forschung wirft Licht auf die Bedingungen, die in der frühen Erde herrschten, und deckt eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Erdkruste, dem Erdkern und der Entstehung von Leben auf.

Durch die Plattentektonik kann Wärme aus dem Erdinneren an die Oberfläche entweichen und dort Kontinente und andere geologische Strukturen bilden, die für die Entstehung von Leben erforderlich sind. Dementsprechend „gab es die Annahme, dass die Plattentektonik lebenswichtig ist“, sagt John Tarduno, Professor am Department of Earth and Environmental Sciences der University of Rochester. Doch neue Forschungsergebnisse werfen Zweifel an dieser Annahme auf.

Tarduno, Professor für Geophysik am William R. Keenan Jr., der Hauptautor eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels. Natur Untersuchen Sie die Plattentektonik vor 3,9 Milliarden Jahren, als Wissenschaftler glauben, dass die ersten Spuren von Leben auf der Erde auftauchten. Die Forscher fanden heraus, dass in dieser Zeit keine Bewegung der mobilen tektonischen Platte stattfand. Stattdessen entdeckten sie, dass die Erde Wärme über ein sogenanntes stagnierendes Mantelsystem abgibt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Plattentektonik zwar ein Schlüsselfaktor für den Fortbestand des Lebens auf der Erde ist, aber keine Voraussetzung für die Entstehung von Leben auf einem erdähnlichen Planeten.

„Wir fanden heraus, dass es keine Plattentektonik gab, als man erstmals annahm, dass Leben entsteht, und dass es danach auch Hunderte Millionen Jahre lang keine Plattentektonik gab“, sagt Tarduno. „Unsere Daten deuten darauf hin, dass Planeten, wenn wir nach Exoplaneten suchen, die Leben beherbergen, nicht unbedingt Plattentektonik benötigen.“

Eine unerwartete Wendung gegenüber der Zirkonstudie

Die Forscher hatten sich ursprünglich nicht zum Ziel gesetzt, die Plattentektonik zu untersuchen.

„Wir untersuchten die Magnetisierung von Zirkonen, weil wir das Erdmagnetfeld untersuchten“, sagt Tarduno.

Zirkone sind winzige Kristalle, die magnetische Partikel enthalten, die die Magnetisierung der Erde zum Zeitpunkt der Entstehung der Zirkone einfangen können. Durch die Datierung der Zirkone können Forscher eine Zeitleiste erstellen, um die Entwicklung des Erdmagnetfelds zu verfolgen.

Die Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds ändert sich je nach Breitengrad. Beispielsweise ist das aktuelle Magnetfeld an den Polen stärker und am Äquator schwächer. Mit Informationen über die magnetischen Eigenschaften von Zirkonen können Wissenschaftler die relativen Breitengrade ableiten, in denen sich die Zirkone gebildet haben. Das heißt, wenn die Effizienz des Geodynamos – des Prozesses, der das Magnetfeld erzeugt – konstant ist und sich die Feldstärke über einen Zeitraum ändert, dann muss sich auch der Breitengrad ändern, in dem sich die Zirkone bilden.

Doch Tarduno und sein Team entdeckten das Gegenteil: Die von ihnen untersuchten Zirkone aus Südafrika zeigten, dass sich die magnetische Feldstärke vor etwa 3,9 bis 3,4 Milliarden Jahren nicht veränderte, was bedeutet, dass sich auch die Breitengrade nicht veränderten.

Da die Plattentektonik mit Breitengradänderungen für verschiedene Landmassen einhergeht, sagt Tarduno, „ist es wahrscheinlich, dass in dieser Zeit keine plattentektonischen Bewegungen stattgefunden haben und es einen anderen Weg geben muss, der Erde Wärme zu entziehen.“

Um ihre Ergebnisse zu untermauern, fanden die Forscher die gleichen Muster in Zirkonen, die sie in Westaustralien untersucht hatten.

„Wir sagen nicht, dass sich die Zirkone auf demselben Kontinent gebildet haben, aber sie scheinen sich auf demselben unveränderten Breitengrad gebildet zu haben, was unser Argument bestärkt, dass zu diesem Zeitpunkt keine plattentektonische Bewegung stattfand“, sagt Tarduno.

Stagnierte Kappentektonik: eine Alternative zur Plattentektonik

Die Erde ist eine Wärmemaschine, und Plattentektonik ist letztendlich die Wärmeabgabe der Erde. Aber tektonische Stagnation im Erdmantel, die zu Rissen in der Erdoberfläche führt, ist eine weitere Möglichkeit, Wärme aus dem Planeteninneren entweichen zu lassen und so Kontinente und andere geologische Strukturen zu bilden.

Bei der Plattentektonik handelt es sich um die horizontale Bewegung und Interaktion zwischen großen Platten auf der Erdoberfläche. Tarduno und seine Kollegen berichten, dass sich die Platten der letzten 600 Millionen Jahre im Durchschnitt um mindestens 8.500 Kilometer (5.280 Meilen) in der Breite bewegt haben. Im Gegensatz dazu beschreibt die Tektonik des stagnierenden Mantels, wie sich die äußerste Schicht der Erde wie ein stagnierender Mantel ohne aktive horizontale Plattenbewegung verhält. Stattdessen bleibt die äußere Schicht an Ort und Stelle, während das Innere des Planeten abkühlt. Große Schwaden geschmolzenen Materials, die tief in das Erdinnere aufsteigen, können zum Bruch der äußeren Schicht führen. Die tektonische Bewegung des stagnierenden Mantels ist bei der Freisetzung von Wärme aus dem Erdmantel nicht so effizient wie die Bewegung der tektonischen Platte, führt aber dennoch zur Bildung der Kontinente.

„Die frühe Erde war kein Planet, auf dem an der Oberfläche alles tot war“, sagt Tarduno. Auf der Erdoberfläche passierte immer noch etwas; Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass sie nicht durch Plattentektonik entstanden sind. Wir hatten zumindest genug von den geochemischen Kreisläufen, die durch stagnierende Kappenprozesse bereitgestellt werden, um Bedingungen zu schaffen, die für die Entstehung von Leben geeignet sind.“

Einen bewohnbaren Planeten bewahren

Während die Erde der einzige bekannte Planet ist, der Plattentektonik erlebt, gibt es andere Planeten wie z[{“ 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.