När en het plym av sten stiger genom jordens mantel för att punktera den överliggande skorpan, det kan skapa inte bara en vulkanisk havsö, men också en dyning i havsbotten som är hundratals till tusentals kilometer lång. Med tiden förs ön bort av den underliggande tektoniska plattan, och plymen dyker ut en annan ö i dess ställe. Under miljoner år, denna geologiska hotspot kan producera en kedja av efterföljande öar, där livet kan frodas tillfälligt innan öarna sjunker, en och en, tillbaka i havet.

Jorden är fylld med dussintals hotspots, inklusive de som producerade ö-kedjorna på Hawaii och Galapagos. Medan den process genom vilken vulkanöar bildas är liknande från kedja till kedja, tiden som en ö tillbringar över havet kan variera kraftigt, från några miljoner år i fallet Galapagos till över 20 miljoner för Kanarieöarna. En ös ålder kan avgöra livet och landskapen som utvecklas där. Och ändå är mekanismerna som bestämmer en ös livslängd i stort sett okända.

Nu har forskare vid MIT en idé om de processer som bestämmer en vulkanös ålder. I en artikel publicerad idag Vetenskapens framsteg , de rapporterar en analys av 14 stora vulkaniska ö-kedjor runt om i världen. De fann att en ös ålder är relaterad till två geologiska huvudfaktorer:hastigheten på den underliggande plattan och storleken på dyningen som genereras av hotspot-plymen.

Till exempel, om en ö ligger på en snabbrörlig tallrik, det kommer sannolikt att ha en kort livslängd, såvida inte, som fallet är med Hawaii, den skapades också av en mycket stor plym. Plymen som gav upphov till Hawaiiöarna är bland de största på jorden, och medan Stillahavsplattan som Hawaii sitter på är relativt snabb jämfört med andra oceaniska plattor, det tar lång tid för tallriken att glida över plymens vidsträckta dyning.

Forskarna fann att detta samspel mellan tektonisk hastighet och plymens storlek förklarar varför Hawaiiöarna består över havet i miljoner år längre än de äldsta Galapagosöarna, som också sitter på tallrikar som färdas med liknande hastighet men över en mycket mindre plym. Som jämförelse, Kanarieöarna, bland de äldsta ö-kedjorna i världen, sitta på den långsamt rörliga Atlantplattan och över en relativt stor plym.

"Dessa ö-kedjor är dynamiska, isolerade laboratorier som biologer länge har fokuserat på, " säger den tidigare MIT-studenten Kimberly Huppert, studiens huvudförfattare. "Men förutom studier på enskilda kedjor, det finns inte mycket arbete som relaterar dem till processer av den fasta jorden, kilometer under ytan."

"Du kan föreställa dig alla dessa organismer som lever på ett slags löpband gjord av öar, som trappstenar, och de utvecklas, divergerande, migrerar till nya öar, och de gamla öarna drunknar, " tillägger Taylor Perron, biträdande chef för MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Vad Kim har visat är, det finns en geofysisk mekanism som styr hur snabbt det här löpbandet rör sig och hur lång tid öns kedjor går innan de tappar slutet."

Huppert och Perron skrev studien tillsammans med Leigh Royden, professor i jord, atmosfäriska och planetära vetenskaper vid MIT.

Sänker en blåslampa

Den nya studien är en del av Hupperts MIT-uppsatsarbete, där hon främst tittade på utvecklingen av landskap på vulkaniska ö-kedjor, Hawaiiöarna i synnerhet. När man studerar de processer som bidrar till öerosion, hon grävde fram en kontrovers i litteraturen om de processer som får havsbotten att svälla runt hotspot -öar.

"Tanken var, om du värmer en del av tallrikens botten, du kan få det att gå upp riktigt snabbt genom att bara termisk lyfta, i princip som en blåslampa under tallriken, säger Royden.

Om denna idé är korrekt, då på samma sätt, kylning av den uppvärmda plattan bör göra att havsbotten sjunker och öar så småningom sjunker tillbaka i havet. Men när man studerar åldrarna för drunknade öar i hotspotkedjor runt om i världen, Huppert fann att öar drunknar i en snabbare takt än någon naturlig kylmekanism kunde förklara.

"Så det mesta av denna höjning och sänkning kan inte ha varit från uppvärmning och kylning, " säger Royden. "Det måste vara något annat."

Hupperts observation inspirerade gruppen att jämföra stora vulkaniska ö-kedjor i hopp om att identifiera mekanismerna för öns höjning och sänkning - som troligen är samma processer som bestämmer en ös livslängd, eller tid över havet.

Evolution, på ett löpband

I sin analys, forskarna tittade på 14 vulkaniska ö-kedjor runt om i världen, inklusive Hawaiian, Galapagos, och Kanarieöarna. För varje ö-kedja, de noterade riktningen i vilken den underliggande tektoniska plattan rörde sig och mätte plattans medelhastighet i förhållande till hotspot. De mätte sedan, i riktning mot varje ökedja, avståndet mellan början och slutet av dyningen, eller höjning i skorpan, skapad av den underliggande plymen. För varje ö-kedja, de dividerade dyningsavståndet med plattans hastighet för att komma fram till ett tal som representerar den genomsnittliga tid som en vulkanö bör tillbringa på toppen av plymens dyning – vilket bör avgöra hur länge en ö förblir över havet innan den sjunker i havet.

När forskarna jämförde sina beräkningar med de faktiska åldrarna på varje ö i var och en av de 14 kedjorna, inklusive öar som sedan länge hade sjunkit under havsytan, de fann en stark korrelation mellan den tid som spenderades på toppen av dyningen och den typiska tid som öar förblir över havet. En vulkanös livslängd, de drog slutsatsen, beror på en kombination av den underliggande plattans hastighet och storleken på plymen, eller svullnad som det skapar.

Huppert säger att de processer som bestämmer en ös ålder kan hjälpa forskare att bättre förstå den biologiska mångfalden och hur livet ser olika ut från en ökedja till en annan.

"Om en ö tillbringar lång tid över havet, som ger lång tid för artbildning att spela ut, "Säger Huppert." Men om du har en ökedja där du har öar som drunknar snabbare, då kommer det att påverka faunans förmåga att stråla ut till närliggande öar, och hur dessa öar är befolkade."

Forskarna menar att på något vis, vi har samspelet mellan tektonisk hastighet och plymstorlek att tacka för vår moderna förståelse av evolution.

"Du tittar på en process i den fasta jorden som bidrar till det faktum att Galapagos är ett mycket snabbt rörligt löpband, med öar som flyttar iväg mycket snabbt, med inte lång tid att erodera, och detta var systemet som ledde till att människor upptäckte evolutionen, " Royden noterar. "Så på sätt och vis satte den här processen verkligen scenen för människor att ta reda på vad evolution handlade om, genom att göra det i detta mikrokosmos. Om det inte hade varit denna process, och Galapagos hade inte varit på den korta uppehållstiden, vem vet hur lång tid det skulle ha tagit för folk att ta reda på det."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.