Kehidupan muncul dari “mantel stagnan”, bukan dari lempeng tektonik

Lempeng tektonik melibatkan pergerakan horizontal dan interaksi antara lempeng-lempeng besar di permukaan bumi. Penelitian baru menunjukkan bahwa pergerakan lempeng tektonik – yang dianggap diperlukan untuk menciptakan planet yang layak huni – tidak terjadi di Bumi selama 3,9 miliar tahun terakhir. Kredit: Fotografi Universitas Rochester/Michael Osadcio

Sebuah studi dari University of Rochester, menggunakan kristal zirkon, menemukan bahwa lempeng tektonik tidak aktif selama periode ketika kehidupan pertama kali muncul di Bumi. Sebaliknya, mekanisme “tutup stagnan” sedang beroperasi, melepaskan panas melalui retakan permukaan. Penemuan ini menantang kepercayaan tradisional bahwa lempeng tektonik sangat penting untuk asal usul kehidupan, dan berpotensi mengubah pemahaman kita tentang kondisi yang diperlukan untuk kehidupan di planet lain.

Para ilmuwan telah melakukan perjalanan kembali ke masa lalu untuk mengungkap misteri sejarah awal Bumi, menggunakan kristal mineral kecil yang disebut zirkon untuk mempelajari lempeng tektonik miliaran tahun yang lalu. Penelitian menyoroti kondisi yang ada di awal Bumi, mengungkapkan interaksi yang kompleks antara kerak bumi, inti, dan munculnya kehidupan.

Lempeng tektonik memungkinkan panas dari interior bumi keluar ke permukaan, membentuk benua dan fitur geologis lainnya yang diperlukan untuk munculnya kehidupan. Oleh karena itu, “ada anggapan bahwa lempeng tektonik sangat penting bagi kehidupan,” kata John Tarduno, seorang profesor di Departemen Ilmu Bumi dan Lingkungan di Universitas Rochester. Tetapi penelitian baru meragukan asumsi ini.

Tarduno, Profesor Geofisika di William R. Keenan Jr., yang merupakan penulis utama makalah yang diterbitkan dalam jurnal tersebut. alam Mempelajari lempeng tektonik 3,9 miliar tahun lalu, ketika para ilmuwan yakin jejak kehidupan pertama kali muncul di Bumi. Para peneliti menemukan bahwa tidak ada pergerakan lempeng tektonik bergerak yang terjadi selama ini. Sebaliknya, mereka menemukan, Bumi melepaskan panas melalui apa yang dikenal sebagai sistem mantel stagnan. Hasilnya menunjukkan bahwa meskipun lempeng tektonik merupakan faktor kunci bagi kelangsungan kehidupan di Bumi, hal itu bukanlah syarat munculnya kehidupan di planet mirip Bumi.

“Kami menemukan bahwa tidak ada lempeng tektonik ketika kehidupan pertama kali dianggap muncul, dan tidak ada lempeng tektonik selama ratusan juta tahun setelahnya,” kata Tarduno. “Data kami menunjukkan bahwa ketika kami sedang mencari exoplanet yang memiliki kehidupan, planet tidak perlu lempeng tektonik.”

Perubahan tak terduga dari studi zirkon

Para peneliti awalnya tidak berangkat untuk mempelajari lempeng tektonik.

“Kami mempelajari magnetisasi zirkon karena kami mempelajari medan magnet Bumi,” kata Tarduno.

Zirkon adalah kristal kecil yang mengandung partikel magnetik yang dapat menjebak magnetisasi bumi pada saat zirkon terbentuk. Dengan penanggalan zirkon, peneliti dapat membuat garis waktu untuk melacak evolusi medan magnet bumi.

Kekuatan dan arah medan magnet bumi berubah tergantung pada garis lintang. Misalnya, medan magnet saat ini lebih kuat di kutub dan lebih lemah di ekuator. Berbekal informasi tentang sifat magnetik zirkon, para ilmuwan dapat menyimpulkan garis lintang relatif tempat zirkon terbentuk. Yaitu, jika efisiensi geodinamo—proses yang menghasilkan medan magnet—konstan dan kekuatan medan berubah selama suatu periode, maka garis lintang di mana zirkon terbentuk juga harus berubah.

Tetapi Tarduno dan timnya menemukan yang sebaliknya: Zirkon yang mereka pelajari dari Afrika Selatan menunjukkan bahwa dari sekitar 3,9 hingga 3,4 miliar tahun yang lalu, kekuatan medan magnet tidak berubah, yang berarti garis lintang juga tidak berubah.

Karena lempeng tektonik melibatkan perubahan garis lintang untuk massa tanah yang berbeda, kata Tarduno, “kemungkinan besar pergerakan lempeng tektonik tidak terjadi selama ini dan pasti ada cara lain untuk menghilangkan panas dari Bumi.”

Untuk memperkuat temuan mereka, para peneliti menemukan pola yang sama pada zirkon yang mereka pelajari di Australia Barat.

“Kami tidak mengatakan bahwa zirkon terbentuk di benua yang sama, tetapi mereka tampaknya terbentuk pada garis lintang yang sama yang tidak berubah, yang memperkuat argumen kami bahwa tidak ada pergerakan lempeng tektonik yang terjadi saat ini,” kata Tarduno.

Tutup tektonik stagnan: alternatif untuk lempeng tektonik

Bumi adalah mesin panas, dan lempeng tektonik pada akhirnya adalah pelepasan panas dari Bumi. Tapi stagnasi tektonik mantel—yang mengakibatkan retakan di permukaan bumi—adalah cara lain untuk membiarkan panas keluar dari interior planet untuk membentuk benua dan fitur geologis lainnya.

Lempeng tektonik melibatkan pergerakan horizontal dan interaksi antara lempeng-lempeng besar di permukaan bumi. Tarduno dan rekan-rekannya melaporkan bahwa rata-rata lempeng dari 600 juta tahun terakhir telah bergerak setidaknya 8.500 kilometer (5.280 mil) di garis lintang. Sebaliknya, tektonik mantel stagnan menggambarkan bagaimana lapisan terluar Bumi berperilaku sebagai mantel stagnan, tanpa gerakan lempeng horizontal yang aktif. Sebaliknya, lapisan luar tetap di tempatnya saat interior planet mendingin. Gumpalan besar material cair yang naik jauh di dalam interior bumi dapat menyebabkan retaknya lapisan luar. Pergerakan tektonik mantel stagnan tidak seefisien pergerakan lempeng tektonik dalam melepaskan panas dari mantel bumi, namun tetap mengarah pada pembentukan benua.

“Bumi purba bukanlah planet di mana segala sesuatu di permukaannya mati,” kata Tarduno. Hal-hal masih terjadi di permukaan bumi; Penelitian kami menunjukkan bahwa mereka tidak terjadi melalui lempeng tektonik. Kami memiliki setidaknya cukup siklus geokimia yang disediakan oleh proses tutup stagnan untuk menghasilkan kondisi yang cocok untuk asal usul kehidupan.”

Melestarikan planet yang layak huni

Sementara Bumi adalah satu-satunya planet yang diketahui mengalami lempeng tektonik, planet lain seperti[{” 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.