Die Erde ist ein dynamischer und sich ständig verändernder Planet. Von der Entstehung von Bergen und Ozeanen bis hin zum Ausbruch von Vulkanen ist die Oberfläche unseres Planeten in ständiger Bewegung. Im Zentrum dieser Veränderungen steht die mächtige Kraft der Plattentektonik – die Bewegungen der Erdkrustenplatten. Dieser grundlegende Prozess hat die aktuelle Topographie unseres Planeten geformt und spielt auch weiterhin eine Rolle für seine Zukunft.
Aber wie war die plattentektonische Aktivität während der frühen Erde? Und fand der Vorgang überhaupt in der Zeit statt, in der sich das Leben angeblich gebildet hat?
„Die dynamische tektonische Natur der modernen Erde ist einer der Gründe, warum es heute Leben gibt“, sagt Wriju Chowdhury, Postdoktorand im Labor von Dustin Trail, einem außerordentlichen Professor für Erd- und Umweltwissenschaften an der University of Rochester. „Die Erforschung der Geodynamik und der lithologischen Vielfalt der frühen Erde könnte zu Enthüllungen darüber führen, wie das Leben auf unserem Planeten begann.“
Chowdhury ist der erste Autor eines Artikels, der in veröffentlicht wurde Naturkommunikation das umreißt, wie Rochester-Forscher kleine Zirkonkristalle verwendeten, um Informationen über Magmen und plattentektonische Aktivität in der frühen Erde freizusetzen. Die Forschung liefert chemische Beweise dafür, dass die Plattentektonik höchstwahrscheinlich vor mehr als 4,2 Milliarden Jahren stattfand, als angenommen wurde, dass sich das erste Leben auf unserem Planeten gebildet hat. Diese Erkenntnis könnte sich bei der Suche nach Leben auf anderen Planeten als nützlich erweisen.
Plattentektonik treibt die Entstehung und Zerstörung der Erdkruste an
Die Plattentektonik auf der modernen Erde ist „extrem wichtig“, sagt Trail, weil sie „der dominierende Mechanismus für die Entstehung und Zerstörung der Erdkruste“ ist.
Die Erde ist der einzige bekannte Planet, der eine mobile obere Kruste hat, die zyklisch zerstört und geschaffen wird. Der Prozess liefert kritische Elemente wie Eisen und Magnesium aus dem Inneren der Erde an ihre Oberfläche und steuert die Wasser- und Kohlenstoffkreisläufe der Erde. Aber, was für Geologen noch wichtiger ist, die Plattentektonik schmilzt und vermischt Gesteine, um Magmen mit spezifischen chemischen Zusammensetzungen zu erzeugen, abhängig von den beteiligten Gesteinen und dem Ort, an dem die „Zerstörung“ stattfand. Die chemische Zusammensetzung von Magma kann daher auf die Art der Tektonik hinweisen, die es geschaffen hat.
Uralte Kristalle als winzige Zeitkapseln
Chowdhury und seine Kollegen führten ihre Forschung mit Zirkonen durch – winzige Kristalle in Gestein, die wie kleine Zeitkapseln aussehen. Die Zirkone enthalten Spuren von chemischen Elementen, die zum Zeitpunkt der Kristallbildung in den Kristallen eingeschlossen waren. Die Forscher datieren die Zirkone und arbeiten dann rückwärts, wobei Zirkone Informationen über die chemische Zusammensetzung der Muttermagmen preisgeben, aus denen die Zirkone kristallisierten. Die Forscher verwenden dann Informationen über die Magmen, um die physikalische und chemische Umgebung zu rekonstruieren – und um plattentektonische Stile abzuleiten – der frühen Erde während der Zeit, als sich die Zirkone bildeten. In diesem Fall waren die Zirkone etwa 3,8 bis 4,2 Milliarden Jahre alt.
Laut Chowdhury leiten die meisten Forscher Informationen über die frühe Erde ab, indem sie Zirkone verwenden, um probabilistische Modelle zu erstellen, um verschiedene tektonische Szenarien darzustellen. Chowdhury und seine Kollegen gingen noch einen Schritt weiter und beschrieben nicht nur die Zirkone, sondern auch die übergeordneten Magmen.
„Elternmagmen sind viel direkter und zuverlässiger, weil sie näher an der Quelle liegen – dem eigentlichen tektonischen Stil“, sagt Chowdhury. „Unsere Studie beschreibt den Silizium- und Sauerstoffisotopengehalt der Zirkone und den Spurenelementgehalt der elterlichen Magmen, die bisher nicht kombiniert und dargestellt wurden.“
Chowdhury, Trail und ihre Kollegen fanden chemische Ähnlichkeiten zwischen Magmen der frühen Erde und modernen Magmen, die an tektonisch aktiven Plattengrenzen wie den Kaskaden- und Aleuten-Inseln oder Gebieten in Japan und den Anden entstanden sind.
„Dies deutet auf eine tektonische Kontinuität von der Antike bis zur Neuzeit hin“, sagt Trail. „Das heißt, unsere Studie zeigt, dass die Erde vor Milliarden von Jahren möglicherweise ähnlich funktioniert hat wie heute.“
Ein Schlüsselmerkmal eines bewohnbaren Planeten
Die Forscher stellten nicht fest, ob Leben existierte, als die Plattentektonik begann – „weder das Leben noch die Tektonik haben noch ein genaues Startdatum“, sagt Chowdhury und stellt fest, dass die Geologengemeinschaft in diesen Punkten gespalten ist. Aber die neuen Daten liefern chemische Beweise, die darauf hindeuten, dass Plattentektonik vor mehr als 4,2 Milliarden Jahren stattgefunden haben könnte.
Wie dem auch sei, fährt er fort, die Plattentektonik sei einer der Hauptgründe dafür, dass die Erde derzeit ein gemäßigtes Lebensumfeld hat – und könnte ein wichtiger Faktor bei der Suche nach bewohnbaren Lebensräumen auf anderen Planeten sein.
„Die Chancen für die Entstehung von Leben steigen um ein Vielfaches, wenn es eine gewisse planetare Dynamik gibt“, sagt er.
Mehr Informationen:
Wriju Chowdhury et al., Eoarchäische und hadäische Schmelzen zeigen bogenartige Spurenelement- und Isotopensignaturen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36538-5