17. tammikuuta 2001 — Tutkijat piirtävät kuvan siitä, miltä Maa näytti pian sen muodostumisen jälkeen 4,56 miljardia vuotta sitten, perustuen vanhimpien koskaan löydettyjen mineraalirakeiden sisältämiin vihjeisiin.
Pienet zirkonit (zirkoniumsilikaattikiteet), joita on löydetty muinaisista virtauskerrostumista, viittaavat siihen, että maapallolle kehittyi mantereita ja vettä – ehkä jopa valtameriä ja ympäristöjä, joissa saattoi syntyä mikrobielämää – 4,3-4,4 miljardia vuotta sitten, huomattavan pian planeettamme muodostumisen jälkeen.
Alhaalla: Mihin vastalöydetyt zirkonit sijoittuvat maapallon historiassa. Kuva: Dan Brennan.
Kahden tutkimusryhmän, toisen australialaisen ja toisen yhdysvaltalaisen, havainnot viittaavat siihen, että ”nestemäinen vesi vakiintuu varhain Maan tyyppisillä planeetoilla”, sanoo geologi Stephen Mojzsis, joka kuuluu NASA:n astrobiologian instituutin ryhmään Coloradon yliopistossa Boulderissa. ”Tämä lisää todennäköisyyttä löytää elämää muualta maailmankaikkeudesta”, koska elämälle suotuisat olosuhteet voivat ilmeisesti kehittyä nopeammin ja helpommin kuin aiemmin luultiin.
Se antaa meille myös ”uuden näkemyksen varhaisesta maapallosta, jossa Maa jäähtyi nopeasti” sen jälkeen, kun vastasyntyneessä aurinkokunnassa kaasu ja pöly olivat jähmettyneet planeetoiksi, sanoo geologi William Peck Colgaten yliopistosta Hamiltonissa, New Yorkissa. ”Todella varhain oli mantereita ja vettä – ja ehkä valtameriä ja elämää – jotka meteoriitit hävittivät myöhemmin, eikä jäljelle jäänyt juuri mitään muuta kuin nämä zirkonit.”
Noin 3,9 miljardia vuotta sitten komeettojen ja meteoriittien parvet iskivät nuoreen maapalloon niin usein, että ne ajoittain höyrystivät valtamerten pintavyöhykkeet ja hävittivät kaiken siellä mahdollisesti olleen elämän. Varhaisimmat tunnetut todisteet mikrobielämästä maapallolla ovat peräisin hiilen isotooppikuvioista, joita Mojzsis ja kollegat tutkivat 3,85 miljardia vuotta vanhoissa Grönlannin sedimenteissä.
Nyt Länsi-Australiasta saadut zirkonit osoittavat, että mantereita ja vettä oli olemassa 4,3-4,4 miljardia vuotta sitten. ”Elämällä on voinut olla mahdollisuus alkaa 400 miljoonaa vuotta aiemmin kuin aiemmin on dokumentoitu”, Mojzsis sanoi.
”Elämä on voinut syntyä monta kertaa, mutta sitten se on murskattu, ja se saa otteen vasta, kun meteoriitit kapenevat”, Peck lisäsi.
Mojzsis ja Peck kuuluvat eri tutkimusryhmiin, joista toinen löysi 4,4 miljardia vuotta vanhan zirkonin vuonna 1999 ja toinen ryhmä kaivoi viime vuonna esiin pari 4,3 miljardia vuotta vanhaa zirkonia samalta alueelta Länsi-Australian Jack Hillsin kalliomuodostumasta. Molemmat ryhmät julkaisivat tutkimuksensa brittiläisen Nature-lehden 11. tammikuuta 2001 ilmestyneessä numerossa.
4,4 miljardia vuotta vanha zirkoni on ”varhaisin tietomme Maan varhaisimmasta kuoresta”, Peck sanoi. Kyseinen zirkoni ja hieman nuoremmat zirkonirakeet ovat noin 250 mikronin levyisiä – alle tuuman sadasosan.
”Nämä zirkonit ovat todella joutuneet koville”, sanoi Peck.
Vasemmalla: Jack Hillsin alue Länsi-Australiassa, josta zirkonit löydettiin. Kuva: Simon Wilde.
Heidän historiansa alkoi joskus Maan muodostumisen jälkeen, kun ”nestemäinen vesi oli vuorovaikutuksessa kivien kanssa”, hän sanoi. Tämä vuorovaikutus voi tapahtua kolmella tavalla: kun vesi vaihtuu kivien mineraalien kanssa, kun kiteet kasvavat pohjaveden liuoksesta tai kun mineraalisuonet laskeutuvat. Vedelle altistuminen lisäsi harvinaisen happi-18-isotoopin ja tavallisemman happi-16-isotoopin välistä suhdetta kivissä, hän sanoi.
Myöhemmin kivet sulivat maan alla – tai ehkä meteoriittipommituksen aikana – ja zirkonit muodostuivat kiteiksi sulassa graniitissa, joka oli jäähtymässä kiinteäksi kiveksi.
Zirkonipitoinen graniitti työntyi lopulta ylöspäin muodostaen vuoria, jotka myöhemmin rapautuivat. Graniitti katosi, mutta zirkonit päätyivät lopulta 3 miljardia vuotta sitten hiekkaisiin australialaisiin purosedimentteihin. Nämä sedimentit kovettuivat myöhemmin kiviksi, jotka myöhemmin muuttuivat lämmön ja paineen vaikutuksesta.
Kumpikin tutkimusryhmä käytti ionimikroskoopiksi kutsuttuja välineitä päivittääkseen ja analysoidakseen zirkonikiteitä, jotka sisältävät usein uraania, harvinaisia maametalleja ja muita epäpuhtauksia. Uraani hajoaa lyijyksi tunnetulla nopeudella. Uraani-lyijy-suhteet zirkoneissa osoittivat, että ne muodostuivat jo 4,4-4,3 miljardia vuotta sitten, kun ne kiteytyivät sulaan graniittiin.
Alhaalla: Mikroskooppikuva 4,4 miljardia vuotta vanhaksi määritetystä zirkoni (zirkoniumsilikaatti) kiteestä. Kuva: John W. Valley
Kontinentaalinen maankuori on erilainen kuin valtamerten alla oleva kuori. Graniitti on yleinen kivilaji mantereilla. Ja zirkonit kiteytyvät yleisesti graniittiin.
Siten zirkonit viittaavat siihen, että graniittia oli 4,3-4,4 miljardia vuotta sitten, kun taas graniitti tarkoittaa, että mantereita oli olemassa tuolloin. Niin vanhaa graniittista kiveä ei ole löydetty, vaan kaikki on sittemmin syöpynyt pois tai muuten kierrätetty. Muinaiset zirkonit ovat eloonjääneitä maankuoren graniitin jäänteitä maapallon alkuvuosilta.
”Se, että sinulla on 4,4 miljardia vuotta vanha zirkoni graniitista, viittaa siihen, että siellä on täytynyt olla mannermaisen kuoren kiveä”, sanoo geologi Sam Bowring Massachusetts Institute of Technologysta.
Zirkonikiteiden sisältämien harvinaisten maa-ainesten ionimikroskooppianalyysissä havaittiin myös mannermaisille kiville tyypillisiä pitoisuuksia, Peck sanoi.
Veden läsnäolo nuoressa maapallossa varmistui, kun molemmat ryhmät analysoivat zirkoneista hapen isotooppeja ja löysivät veden koskettamien kivien tunnusmerkin: kohonneen happi-18:n ja happi-16:n suhteen.
Siten ”tiedämme, että nestemäistä vettä oli jossain vaiheessa ennen 4,4 miljardia vuotta sitten”, Peck sanoi. Nestemäisen veden täytyi kerääntyä jonnekin, mikä nostaa esiin valtamerien mahdollisuuden, hän lisäsi.
Hän sanoi, että on myös todennäköistä, että valtameriä oli olemassa, koska ”mantereiden muodostamiseen tarvitaan vettä”.
Peck sanoi, että ennen kuin valtameriä oli olemassa, jättimäiset maankuoren levyt saattoivat jo alkaa liikkua ja törmätä toisiinsa, jolloin suuret kivilohkareet sukelsivat alaspäin prosessissa, jota kutsutaan subduktioksi. Ilman valtameriä nämä kivet eivät olisi voineet sulaa muodostaakseen graniitin kaltaista mannermaista kiveä, hän sanoi.
Alhaalla: Ulottuma kivilajista, josta zirkonit löydettiin. Vasara osoittaa mittakaavan. Kuva: Simon Wilde.
Kun valtameret olivat olemassa, merivesi olisi kuitenkin reagoinut ja hydratoinut laavaa, joka purkautui merenalaisista tulivuorista valtameren keskiosien harjuilla. Laava olisi sitten jäähtynyt ja muodostanut uutta merenpohjaa, joka myöhemmin upposi. Uppoavan kiven mineraaleihin jäänyt vesi alensi sen sulamispistettä, mikä käynnisti tulivuorenpurkauksia, jotka todennäköisesti synnyttivät graniittisista kivistä koostuvia saariketjuja. Uskotaan, että tällaiset ”saarikaaret” kasautuivat lopulta yhteen muodostaen mantereita.
”Valtameret, ilmakehä ja mantereet olivat paikoillaan 4,3 miljardia vuotta sitten”, Mojzsis sanoo.
Peckin mukaan ensimmäiset valtameret ovat saattaneet muodostua komeettojen Maahan tuomasta vedestä tai ne ovat saattaneet vapautua varhaisissa tulivuorenpurkauksissa niistä, joista tuli valtamerten keskiharjanteita.
Zirkonit viittaavat siihen, että maapallolla on voinut olla elämää 4,3 miljardia vuotta sitten, sanoi Mojzsis, koska kolme keskeistä tekijää, jotka ovat välttämättömiä elämän syntymiselle, olivat läsnä: energiaa, orgaanista ainetta (saapuvista komeetoista ja ilmakehän reaktioista) ja – zirkonien mukaan – nestemäistä vettä.
Credits: 4,4 miljardia vuotta vanhan zirkonin löytämisestä raportoivat Peck, Simon Wilde Curtin Institute of Technologysta Australiasta, John Valley Wisconsinin yliopistosta Madisonista ja Colin Graham Edinburghin yliopistosta Yhdistyneestä kuningaskunnasta. Wilde löysi 4,4 miljardia vuotta vanhan jyvän vuonna 1999, kun hän dating zirkonia vuonna 1984 kerätystä kivestä, Peck sanoi. Mojzsis ja kollegat kertovat löytäneensä viime vuonna pari 4,3 miljardia vuotta vanhaa zirkonia samalta alueelta Länsi-Australian Jack Hillsin kalliomuodostumasta. Mojzsis työskenteli yhdessä geokemisti Mark Harrisonin (Kalifornian yliopisto, Los Angeles) ja Robert Pidgeonin (Curtin Institute of Technology) kanssa.