Das Leben entstand aus einem „stagnierenden Deckel“, nicht aus der Plattentektonik

Eine Studie der Universität Rochester mit Zirkonkristallen ergab, dass die Plattentektonik in der Zeit, als das Leben auf der Erde zum ersten Mal auftauchte, inaktiv war. Stattdessen war ein „stagnierender Deckel“-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 Leben auf anderen Planeten erforderlich sind.

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

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 notwendig sind. Dementsprechend „wurde angenommen, dass Plattentektonik für Leben notwendig ist“, sagt John Tarduno, der am Department of Earth and Environmental Sciences der University of Rochester lehrt. Doch neue Forschungsergebnisse werfen Zweifel an dieser Annahme auf.

Tarduno, William R. Kenan, Jr. Professor für Geophysik, ist Hauptautor eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels Natur Untersuchung der Plattentektonik aus einer Zeit vor 3,9 Milliarden Jahren, als Wissenschaftler glauben, dass die ersten Spuren von Leben auf der Erde erschienen. Die Forscher stellten fest, dass in dieser Zeit keine mobile Plattentektonik auftrat. Stattdessen stellten sie fest, dass die Erde Wärme durch ein sogenanntes stagnierendes Deckelregime abgibt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Plattentektonik zwar ein Schlüsselfaktor für die Erhaltung des Lebens auf der Erde ist, aber keine Voraussetzung dafür ist, dass Leben auf einem erdähnlichen Planeten entsteht.

„Wir fanden heraus, dass es keine Plattentektonik gab, als man erstmals annahm, dass Leben entstand, und dass es auch Hunderte Millionen Jahre danach keine Plattentektonik gab“, sagt Tarduno. „Unsere Daten deuten darauf hin, dass bei der Suche nach Exoplaneten, die Leben beherbergen, die Planeten nicht unbedingt über Plattentektonik verfügen müssen.“

Ein unerwarteter Abstecher von einer Studie über Zirkone

Ursprünglich hatten die Forscher nicht vor, 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 festhalten können. Durch die Datierung der Zirkone können Forscher eine Zeitleiste erstellen, die die Entwicklung des Erdmagnetfelds nachzeichnet.

Die Stärke und Richtung des Erdmagnetfeldes ändern sich je nach Breitengrad. Beispielsweise ist das aktuelle Magnetfeld an den Polen am stärksten und am Äquator am schwächsten. Mit Informationen über die magnetischen Eigenschaften von Zirkonen können Wissenschaftler auf die relativen Breiten schließen, 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 Intensität des Feldes über einen Zeitraum ändert, muss sich auch der Breitengrad ändern, in dem sich die Zirkone bilden.

Doch Tarduno und sein Team fanden das Gegenteil heraus: Die von ihnen untersuchten Zirkone aus Südafrika zeigten, dass sich im Zeitraum von vor etwa 3,9 bis 3,4 Milliarden Jahren die Stärke des Magnetfelds nicht veränderte, was bedeutet, dass sich auch die Breitengrade nicht veränderten.

Da die Plattentektonik Veränderungen in den Breitengraden verschiedener Landmassen einschließt, sagt Tarduno: „Wahrscheinlich kam es zu dieser Zeit nicht zu plattentektonischen Bewegungen, und es muss eine andere Art und Weise gegeben haben, wie die Erde Wärme abführte.“

Um ihre Ergebnisse noch weiter 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 es sieht so aus, als hätten sie sich auf demselben unveränderten Breitengrad gebildet, was unser Argument bestärkt, dass es zu diesem Zeitpunkt keine plattentektonische Bewegung gab“, sagt Tarduno.

Stagnierende Deckeltektonik: eine Alternative zur Plattentektonik

Die Erde ist eine Wärmemaschine, und Plattentektonik ist letztendlich die Freisetzung von Wärme von der Erde. Aber stagnierende Deckeltektonik – die zu Rissen in der Erdoberfläche führt – ist ein weiteres Mittel, das es ermöglicht, dass Wärme aus dem Inneren des Planeten entweicht und Kontinente und andere geologische Strukturen entstehen.

Bei der Plattentektonik handelt es sich um die horizontale Bewegung und Interaktion großer 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 Deckels, wie sich die äußerste Erdschicht wie ein stagnierender Deckel 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 aus dem tiefen Erdinneren stammen, können dazu führen, dass die äußere Schicht reißt. Die Tektonik des stagnierenden Deckels ist bei der Freisetzung von Wärme aus dem Erdmantel nicht so effektiv wie die Plattentektonik, kann aber dennoch zur Bildung von Kontinenten führen.

„Die frühe Erde war kein Planet, auf dem an der Oberfläche alles tot war“, sagt Tarduno. „Auf der Erdoberfläche geschahen immer noch Dinge; Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass sie einfach nicht durch Plattentektonik entstanden sind. Wir hatten durch die stagnierenden Deckelprozesse zumindest genügend geochemische Zyklen, um Bedingungen zu schaffen, die für die Entstehung von Leben geeignet sind.“

Einen bewohnbaren Planeten erhalten

Während die Erde der einzige bekannte Planet ist, der Plattentektonik erlebt, gibt es auch 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.