생명은 판 구조론이 아닌 “정체된 맨틀”에서 발생했습니다.

지르콘 결정을 사용한 로체스터 대학의 연구에 따르면 지구에 생명이 처음 등장한 기간 동안 지각판이 활동하지 않았다는 사실이 밝혀졌습니다. 대신 “정체 캡” 메커니즘이 작동하여 표면 균열을 통해 열을 방출했습니다. 이 발견은 판 구조론이 생명의 기원에 필수적이라는 전통적인 믿음에 도전하고 잠재적으로 다른 행성의 생명에 필요한 조건에 대한 우리의 이해를 재구성합니다.

과학자들은 수십억 년 전 판 구조론을 연구하기 위해 지르콘이라고 불리는 작은 광물 결정을 사용하여 지구 초기 역사의 신비를 풀기 위해 시간을 거슬러 여행을 떠났습니다. 이 연구는 초기 지구에 존재했던 조건을 밝히고 지구의 지각, 핵 및 생명의 출현 사이의 복잡한 상호작용을 드러냅니다.

판 구조론은 지구 내부의 열을 표면으로 방출하여 대륙과 생명체 출현에 필요한 기타 지질학적 특징을 형성합니다. 따라서 “판 구조론이 생명에 필수적이라는 가정이 있었습니다”라고 로체스터 대학의 지구 및 환경 과학과 교수인 John Tarduno는 말합니다. 그러나 새로운 연구는 이러한 가정에 의문을 제기합니다.

윌리엄 R. 저널에 게재된 논문의 주 저자인 Keenan Jr. 자연 과학자들이 지구에 생명의 첫 흔적이 나타났다고 믿었던 39억 년 전 판 구조론을 연구합니다. 연구원들은 이 시간 동안 이동성 지각판 이동이 발생하지 않았다는 것을 발견했습니다. 대신 그들은 지구가 정체된 맨틀 시스템으로 알려진 것을 통해 열을 방출한다는 사실을 발견했습니다. 결과는 판 구조론이 지구상의 생명 지속을 위한 핵심 요소이지만 지구와 같은 행성에서 생명이 출현하기 위한 조건은 아님을 나타냅니다.

“우리는 생명이 처음으로 발생했다고 생각되었을 때 판 구조론이 없었고 그 후 수억 년 동안 판 구조론이 없었다는 것을 발견했습니다.”라고 Tarduno는 말합니다. “우리의 데이터는 생명체가 있는 외계 행성을 찾을 때 행성에 반드시 판 구조론이 필요한 것은 아니라는 것을 시사합니다.”

지르콘 연구의 예상치 못한 전환

연구원들은 원래 판 구조론을 연구하기 시작하지 않았습니다.

“우리는 지구의 자기장을 연구하고 있었기 때문에 지르콘의 자화를 연구하고 있었습니다.”라고 Tarduno는 말합니다.

지르콘은 지르콘이 형성될 당시 지구의 자화를 가둘 수 있는 자성 입자를 포함하는 작은 결정체입니다. 지르콘의 연대를 측정함으로써 연구원들은 지구 자기장의 진화를 추적하는 연대표를 만들 수 있습니다.

지구 자기장의 세기와 방향은 위도에 따라 달라집니다. 예를 들어, 현재 자기장은 극에서 더 강하고 적도에서 약합니다. 지르콘의 자기 특성에 대한 정보로 무장한 과학자들은 지르콘이 형성된 상대 위도를 추론할 수 있습니다. 즉, 자기장을 생성하는 과정인 지오다이너모(geodynamo)의 효율이 일정하고 자기장의 세기가 일정 기간 동안 변한다면 지르콘이 형성되는 위도도 변해야 합니다.

그러나 Tarduno와 그의 팀은 그 반대를 발견했습니다. 그들이 남아프리카에서 연구한 지르콘은 약 39억년에서 34억년 전에 자기장의 강도가 변하지 않았으며 위도도 변하지 않았음을 의미합니다.

판 구조론은 서로 다른 육지에 대한 위도 변화를 포함하기 때문에 Tarduno는 “이 기간 동안 판 구조적 움직임이 발생하지 않았을 가능성이 있으며 지구에서 열을 제거할 다른 방법이 있어야 합니다.”라고 말합니다.

연구 결과를 강화하기 위해 연구원들은 서호주에서 연구한 것과 동일한 패턴을 지르콘에서 발견했습니다.

“우리는 지르콘이 같은 대륙에서 형성되었다고 말하는 것이 아니라 동일한 위도에서 동일한 변화하지 않는 것으로 보입니다. 이는 현재 진행 중인 판 구조론이 없었다는 우리의 주장을 강화합니다.”라고 Tarduno는 말합니다.

정체된 캡 구조론: 판 구조론의 대안

지구는 열기관이고 판 구조론은 궁극적으로 지구에서 방출되는 열입니다. 그러나 지구 표면에 균열을 일으키는 맨틀 구조적 침체는 열이 행성 내부에서 빠져나가 대륙과 다른 지질학적 특징을 형성하도록 하는 또 다른 방법입니다.

판 구조론은 지구 표면의 큰 판 사이의 수평 이동과 상호 작용을 포함합니다. Tarduno와 그의 동료들은 평균적으로 지난 6억 년 동안의 판이 위도에서 최소 8,500km(5,280마일) 이동했다고 보고합니다. 대조적으로, 정체된 맨틀 구조론은 지구의 최외곽층이 활성 수평 판 운동 없이 어떻게 정체된 맨틀처럼 행동하는지를 설명합니다. 대신 외층은 행성의 내부가 식는 동안 제자리에 유지됩니다. 지구 내부 깊숙이 솟아오르는 용융 물질의 큰 플룸은 외층의 균열을 일으킬 수 있습니다. 정체된 맨틀 구조 운동은 지구의 맨틀에서 열을 방출하는 데 지각판 운동만큼 효율적이지는 않지만 여전히 대륙의 형성으로 이어집니다.

“초기 지구는 표면의 모든 것이 죽은 행성이 아니었습니다.”라고 Tarduno는 말합니다. 지구 표면에서는 여전히 일들이 일어나고 있었습니다. 우리의 연구는 그들이 판 구조론을 통해 발생하지 않았음을 나타냅니다. 우리는 적어도 생명의 기원에 적합한 조건을 생성하기 위해 정체된 캡 프로세스에 의해 제공되는 지구화학적 순환을 충분히 가지고 있었습니다.”

거주 가능한 행성 보존

지구는 판 구조론을 경험하는 유일한 알려진 행성이지만, 다음과 같은 다른 행성은[{” 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.