نشأت الحياة من “غطاء راكد” ، وليس من تكتونية الصفائح

وجدت 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 ، كانت آلية “الغطاء الراكد” تعمل ، وتطلق الحرارة من خلال الشقوق السطحية. يتحدى هذا الاكتشاف الاعتقاد التقليدي بأن الصفائح التكتونية ضرورية لنشأة الحياة ، ومن المحتمل أن تعيد تشكيل فهمنا للظروف المطلوبة للحياة على الكواكب الأخرى.

قام العلماء برحلة إلى الوراء في الزمن 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 بدايات الأرض ، ويكشف عن تفاعل معقد بين قشرة الأرض ، ولبها ، وظهور الحياة.

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

تاردونو ، أستاذ الجيوفيزياء في وليام ر. كينان الابن ، وهو المؤلف الرئيسي لورقة بحثية نُشرت في المجلة. طبيعة دراسة تكتونية الصفائح منذ 3.9 مليار سنة ، عندما يعتقد العلماء أن الآثار الأولى للحياة ظهرت على الأرض. وجد الباحثون أن حركة الصفائح التكتونية المتنقلة لم تكن تحدث خلال هذا الوقت. وبدلاً 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 لاستمرار الحياة على الأرض ، إلا أنها ليست شرطًا لنشوء الحياة على كوكب شبيه بالأرض.

يقول تاردونو: “وجدنا أنه لم يكن هناك صفائح تكتونية عندما كان يعتقد أن الحياة تنشأ لأول مرة ، ولم يكن هناك 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 الزركون

لم يشرع الباحثون في الأصل في دراسة الصفائح التكتونية.

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

الزركون عبارة عن بلورات صغيرة تحتوي على جزيئات مغناطيسية يمكنها أن تحبس مغنطة الأرض في الوقت الذي تشكلت فيه الزركون. من خلال تأريخ الزركون ، يمكن للباحثين إنشاء جدول زمني لتتبع تطور المجال المغناطيسي للأرض.

تتغير قوة واتجاه المجال المغناطيسي للأرض اعتمادًا على 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 وكانت شدة المجال تتغير خلال فترة ما ، فيجب أيضًا أن يتغير خط العرض الذي تشكلت فيه الزركون.

لكن تاردونو وفريقه اكتشفوا العكس: أشارت الزركون التي درسوها من جنوب إفريقيا إلى أنه خلال الفترة من 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 تغييرات في خطوط العرض لكتل ​​أرضية مختلفة ، كما يقول تاردونو ، “من المحتمل أن الحركات التكتونية للصفائح لم تحدث خلال هذا الوقت ويجب أن تكون هناك طريقة أخرى لإزالة الحرارة من الأرض”.

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

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

تكتونيات الغطاء الراكد: بديل لتكتونية الصفائح

الأرض هي محرك حراري ، والصفائح التكتونية هي في النهاية إطلاق الحرارة من الأرض. لكن الركود التكتوني للغطاء – الذي ينتج عنه تشققات في سطح الأرض – هو وسيلة أخرى للسماح للحرارة بالهروب من باطن الكوكب لتشكيل قارات وخصائص جيولوجية أخرى.

تتضمن الصفائح التكتونية الحركة الأفقية والتفاعل بين الصفائح الكبيرة على سطح الأرض. أفاد تاردونو وزملاؤه أنه ، في المتوسط ​​، تحركت لوحات من 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 ، دون حركة لوحة أفقية نشطة. بدلاً من ذلك ، تظل الطبقة الخارجية في مكانها بينما يبرد الجزء الداخلي من الكوكب. يمكن أن تتسبب أعمدة كبيرة من المواد المنصهرة التي تنشأ في عمق باطن 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: “لم تكن الأرض المبكرة عبارة عن كوكب كان كل شيء فيه ميتًا على سطحه”. كانت الأشياء لا تزال تحدث على سطح الأرض ؛ يشير بحثنا إلى أنها لم تكن تحدث من خلال الصفائح التكتونية. كان لدينا على الأقل ما يكفي من الدورات الجيوكيميائية التي توفرها عمليات الغطاء الراكد لإنتاج ظروف مناسبة لأصل الحياة “.

الحفاظ على كوكب صالح للسكن

في حين أن الأرض هي الكوكب الوحيد المعروف الذي يختبر 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.