تنبع الحياة من “غطاء راكد” وليس من حركة الصفائح التكتونية

كشفت دراسة من جامعة روتشستر ، باستخدام بلورات الزركون ، أن الصفائح التكتونية كانت غير نشطة خلال الفترة التي ظهرت فيها الحياة لأول مرة على الأرض. وبدلاً من ذلك ، تم تشغيل آلية “الغطاء الراكد” ، مما يطلق الحرارة من خلال الشقوق السطحية. يتحدى هذا الاكتشاف الاعتقاد التقليدي بأن الصفائح التكتونية ضرورية لأصل الحياة ، مما قد يعيد تشكيل فهمنا للظروف اللازمة للحياة على الكواكب الأخرى.

سافر العلماء بالزمن إلى الوراء لكشف ألغاز تاريخ الأرض المبكر ، مستخدمين بلورات معدنية صغيرة تسمى الزركون لدراسة الصفائح التكتونية منذ مليارات السنين. يلقي البحث الضوء على الظروف التي كانت موجودة في بداية الأرض ، وكشف عن تفاعل معقد بين قشرة الأرض ، ولب الحياة ، وظهور الحياة.

تسمح الصفائح التكتونية للحرارة من باطن الأرض بالهروب إلى السطح ، وتشكيل القارات والسمات الجيولوجية الأخرى اللازمة لظهور الحياة. نتيجة لذلك ، “كان هناك افتراض بأن الصفائح التكتونية ضرورية للحياة” ، كما يقول جون تاردونو ، أستاذ في قسم علوم الأرض والبيئة بجامعة روتشستر. لكن الأبحاث الجديدة تلقي بظلال من الشك على هذا الافتراض.

تاردونو ، أستاذ الجيوفيزياء جونيور ويليام ر. كينان ، وهو المؤلف الرئيسي لمقال نُشر في المجلة. طبيعة فحص الصفائح التكتونية منذ 3.9 مليار سنة ، عندما يعتقد العلماء أن الآثار الأولى للحياة ظهرت على الأرض. وجد الباحثون أن حركة الصفائح التكتونية لم تحدث خلال هذا الوقت. بدلاً من ذلك ، اكتشفوا أن الأرض تطلق الحرارة من خلال ما يعرف بنظام الغطاء الراكد. تشير النتائج إلى أنه على الرغم من أن الصفائح التكتونية هي عامل رئيسي في الحفاظ على الحياة على الأرض ، إلا أنه ليس من الضروري أن تنشأ الحياة على كوكب شبيه بالأرض.

يوضح تاردونو: “اكتشفنا أنه لم تكن هناك حركة تكتونية للصفائح عندما ظهرت الحياة لأول مرة ، ولم تكن هناك حركة تكتونية للصفائح لمئات الملايين من السنين بعد ذلك”. “تشير بياناتنا إلى أنه عندما نبحث عن الكواكب الخارجية التي تؤوي الحياة ، لا تحتاج الكواكب بالضرورة إلى الصفائح التكتونية.”

انعطاف غير متوقع من دراسة أجريت على الزركون

لم يخطط الباحثون في الأصل لدراسة الصفائح التكتونية.

يقول تاردونو: “ندرس مغنطة الزركون لأننا ندرس المجال المغناطيسي للأرض”.

الزركون عبارة عن بلورات صغيرة تحتوي على جزيئات مغناطيسية يمكنها قفل مغناطيسية الأرض في وقت تكوين الزركون. من خلال تأريخ الزركون ، يمكن للباحثين إنشاء جدول زمني لتتبع تطور المجال المغناطيسي للأرض.

تتغير قوة واتجاه المجال المغناطيسي للأرض مع تغير خط العرض. على سبيل المثال ، يكون المجال المغناطيسي الحالي أقوى عند القطبين وأضعف عند خط الاستواء. مسلحين بمعلومات حول الخصائص المغناطيسية للزركون ، يمكن للعلماء استنتاج خطوط العرض النسبية التي تشكلت عندها الزركون. بمعنى ، إذا كانت كفاءة الجيودينامو – العملية التي تولد المجال المغناطيسي – ثابتة وتتغير شدة المجال خلال فترة زمنية ، فيجب أيضًا تغيير خط العرض الذي تشكلت فيه الزركون.

لكن تاردونو وفريقه اكتشفوا العكس: أشارت الزركون التي درسوها في جنوب إفريقيا إلى أنه منذ حوالي 3.9 إلى 3.4 مليار سنة ، لم تتغير قوة المجال المغناطيسي ، مما يعني أن خطوط العرض لم تتغير أيضًا.

نظرًا لأن الصفائح التكتونية تتضمن تغيرات في خطوط العرض للعديد من الكتل الأرضية ، كما يقول تاردونو ، “ربما لم تحدث حركات الصفائح التكتونية خلال هذا الوقت ، ولا بد أنه كانت هناك طريقة أخرى لإلقاء الأرض بالحرارة”.

ولتعزيز النتائج التي توصلوا إليها ، وجد الباحثون نفس الأنماط في الزركون التي درسوها في غرب أستراليا.

يقول تاردونو: “نحن لا نقول إن الزركون تشكلت في نفس القارة ، ولكن يبدو أنها تشكلت على نفس خط العرض غير المتغير ، مما يعزز حجتنا بأنه لم تكن هناك حركة تكتونية للصفائح في هذا الوقت”.

تكتونيات الغطاء الراكد: بديل لتكتونية الصفائح

الأرض هي محرك حراري وتكتونية الصفائح هي في النهاية إطلاق الحرارة من الأرض. لكن الركود التكتوني للغطاء – الذي ينتج عنه تشققات في سطح الأرض – هو طريقة أخرى لهروب الحرارة من باطن الكوكب لتشكيل القارات والسمات الجيولوجية الأخرى.

تتضمن الصفائح التكتونية الحركة الأفقية وتفاعل الصفائح الكبيرة على سطح الأرض. أفاد تاردونو وزملاؤه أنه ، في المتوسط ​​، تحركت الصفائح على مدى الـ 600 مليون سنة الماضية على الأقل 8500 كيلومتر (5280 ميل) في خط العرض. في المقابل ، تصف الحركة التكتونية للغطاء الراكد كيف تتصرف الطبقة الخارجية للأرض كغطاء راكد ، مع عدم وجود حركة لوحة أفقية نشطة. بدلاً من ذلك ، تظل الطبقة الخارجية في مكانها بينما يبرد الجزء الداخلي للكوكب. يمكن أن تتسبب أعمدة كبيرة من المواد المنصهرة من أعماق الأرض في تكسير الطبقة الخارجية. إن الحركة التكتونية للغطاء الراكدة ليست فعالة مثل حركة الصفائح التكتونية في إطلاق الحرارة من وشاح الأرض ، لكنها لا تزال تؤدي إلى تكوين القارات.

يقول تاردونو: “إن الأرض الأساسية لم تكن كوكبًا كان كل شيء فيه ميتًا على سطحه”. “لا تزال هناك أشياء تحدث على سطح الأرض ؛ يشير بحثنا إلى أنها ببساطة لم تحدث من خلال الصفائح التكتونية. كان لدينا على الأقل ما يكفي من الدورات الجيوكيميائية التي توفرها عمليات السد الراكدة لإنتاج ظروف لأصل الحياة.

حافظ على كوكب صالح للسكنى

في حين أن الأرض هي الكوكب الوحيد المعروف بتجربة الصفائح التكتونية ، فإن الكواكب الأخرى مثل[{” 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.