生命はプレートテクトニクスではなく「停滞したマントル」から誕生した

プレート テクトニクスには、地球表面の大きなプレート間の水平移動と相互作用が含まれます。 新しい研究は、居住可能な惑星の形成に必要であると考えられているプレートテクトニクスの移動が過去39億年間地球上で発生しなかったことを示している。 クレジット: ロチェスター大学写真撮影/マイケル・オサドシオ

ロチェスター大学がジルコン結晶を使った研究で、地球上に生命が初めて出現した時期には地殻プレートが活動していないことが判明した。 代わりに、「停滞キャップ」メカニズムが作動し、表面の亀裂を通じて熱を放出していました。 この発見は、プレートテクトニクスが生命の起源に不可欠であるという伝統的な考えに疑問を投げかけ、他の惑星での生命に必要な条件についての私たちの理解を再構築する可能性があります。

科学者たちは地球の初期の歴史の謎を解明するために時間を遡り、ジルコンと呼ばれる小さな鉱物結晶を使用して数十億年前のプレートテクトニクスを研究しました。 この研究は初期の地球に存在した状況に光を当て、地球の地殻、核、生命の出現の間の複雑な相互作用を明らかにしました。

プレートテクトニクスにより、地球の内部からの熱が地表に逃げ、生命の出現に必要な大陸やその他の地質学的特徴が形成されます。 したがって、「プレートテクトニクスは生命にとって不可欠であるという仮定があった」とロチェスター大学地球環境科学部のジョン・タルドゥノ教授は言う。 しかし、新しい研究はこの仮定に疑問を投げかけています。

タルドゥーノ、ウィリアム R 大学地球物理学教授 Keenan Jr. 氏は、同誌に掲載された論文の筆頭著者です。 自然 科学者たちが最初の生命の痕跡が地球上に現れたと信じている 39 億年前のプレート テクトニクスを研究してください。 研究者らは、この期間中にプレートの移動は起こっていないことを発見した。 その代わりに、地球は停滞マントル系として知られるものを通じて熱を放出していることを彼らは発見した。 この結果は、プレートテクトニクスは地球上の生命の存続にとって重要な要素であるが、それが地球に似た惑星に生命が出現するための条件ではないことを示している。

「生命の誕生が最初に考えられたときにはプレート・テクトニクスは存在せず、その後何億年もプレート・テクトニクスは存在しなかったことが分かりました」とタルドゥーノ氏は言う。 「私たちのデータは、生命が生息する系外惑星を探す場合、惑星は必ずしもプレートテクトニクスを必要としないことを示唆しています。」

ジルコン研究からの予期せぬ展開

研究者たちはもともとプレートテクトニクスの研究を始めたわけではありません。

「地球の磁場を研究していたため、私たちはジルコンの磁化を研究していました」とタルドゥノ氏は言う。

ジルコンは、ジルコンが形成されたときに地球の磁化を捕捉できる磁性粒子を含む小さな結晶です。 ジルコンの年代を測定することで、研究者は地球の磁場の進化を追跡するタイムラインを作成できます。

地球の磁場の強さと方向は緯度に応じて変化します。 たとえば、現在の磁場は極でより強く、赤道ではより弱くなります。 ジルコンの磁気特性に関する情報があれば、科学者はジルコンが形成された相対緯度を推定することができます。 つまり、地球ダイナモ、つまり磁場を生成するプロセスの効率が一定で、磁場の強さが一定期間にわたって変化する場合、ジルコンが形成される緯度も変化するはずです。

しかし、タルドゥーノと彼のチームはその逆を発見した。彼らが南アフリカから調査したジルコンは、約39億年から34億年前まで磁場の強さが変化していないこと、つまり緯度も変化していないことを示していた。

プレートテクトニクスには異なる陸塊の緯度変化が伴うため、タルドゥーノ氏は「プレートテクトニクスの動きはこの時期には起こらなかった可能性が高く、地球から熱を除去する他の方法があったに違いない」と述べている。

彼らの発見を補強するために、研究者らは西オーストラリアで研究したのと同じパターンをジルコンで発見した。

「ジルコンが同じ大陸で形成されたと言っているわけではありませんが、同じ変わらぬ緯度で形成されたようです。このことは、この時期にプレートテクトニクスの動きが起こっていなかったという私たちの主張を強化します」とタルドゥノ氏は言う。

停滞したキャップテクトニクス: プレートテクトニクスに代わる選択肢

地球は熱機関であり、プレートテクトニクスは最終的には地球からの熱放出です。 しかし、地球の表面に亀裂をもたらすマントル構造の停滞は、熱が地球の内部から逃げて大陸やその他の地質を形成するもう一つの方法です。

プレート テクトニクスには、地球表面の大きなプレート間の水平移動と相互作用が含まれます。 タルドゥーノらは、過去6億年のプレートは平均して少なくとも緯度8,500キロメートル（5,280マイル）移動したと報告している。 対照的に、停滞マントル テクトニクスは、活発な水平プレート運動がない場合に、地球の最外層が停滞マントルとしてどのように動作するかを説明します。 その代わり、惑星の内部が冷える間、外層は所定の位置に留まります。 地球の内部深くに上昇する溶融物質の大きなプルームは、外層の破壊を引き起こす可能性があります。 停滞したマントルテクトニクスの動きは、地球のマントルから熱を放出する点でプレートの動きほど効率的ではありませんが、それでも大陸の形成につながります。

「初期の地球は、地表ですべてが死んだような惑星ではありませんでした」とタルドゥーノ氏は言う。 地球の表面ではまだ物事が起こっていました。 私たちの研究は、それらがプレートテクトニクスによって発生したものではないことを示しています。 私たちは、生命の起源に適した条件を作り出すために、停滞したキャッププロセスによってもたらされる地球化学サイクルを少なくとも十分に持っていました。」

居住可能な地球を守る

地球はプレートテクトニクスを経験することが知られている唯一の惑星ですが、[{” 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.