Dannelse af fossilt brændstof:Nøglen til atmosfærens oxygen?

Til udvikling af dyr, intet – med undtagelse af DNA – kan være vigtigere end ilt i atmosfæren.

Ilt muliggør de kemiske reaktioner, som dyr bruger til at få energi fra lagrede kulhydrater - fra mad. Så det er måske ikke tilfældigt, at dyr dukkede op og udviklede sig under "den kambriske eksplosion, ", som faldt sammen med en stigning i atmosfærisk ilt for omkring 500 millioner år siden.

Det var under den kambriske eksplosion, at de fleste af de nuværende dyredesigns dukkede op.

I grønne planter, fotosyntese adskiller kuldioxid til molekylært oxygen (som frigives til atmosfæren), og kulstof (som er lagret i kulhydrater).

Men fotosyntese havde allerede eksisteret i mindst 2,5 milliarder år. Så hvad var årsagen til den pludselige stigning i ilt under Kambrium?

En undersøgelse, der nu er online i februarnummeret af Earth and Planetary Science Letters forbinder iltstigningen med en hurtig stigning i nedgravningen af ​​sediment indeholdende store mængder kulstofrigt organisk stof. Nøglen, siger studiemedforfatter Shanan Peters, professor i geovidenskab ved University of Wisconsin-Madison, er at erkende, at sedimentlagring blokerer for oxidationen af ​​kulstof.

Uden begravelse, denne oxidationsreaktion får dødt plantemateriale på Jordens overflade til at brænde. Det forårsager det kulstof, det indeholder, som opstod i atmosfæren, at binde med ilt for at danne kuldioxid. Og for at ilt skal opbygges i vores atmosfære, planteorganisk materiale skal beskyttes mod oxidation.

Og det er præcis, hvad der sker, når organisk stof - råmaterialet til kul, olie og naturgas - begraves gennem geologiske processer.

For at gøre denne sag, Peters og hans postdoc-stipendiat Jon Husson minede et unikt datasæt kaldet Macrostrat, en ophobning af geologisk information om Nordamerika, hvis konstruktion Peters har stået bag i 10 år.

De parallelle grafer for ilt i atmosfæren og sedimentbegravelse, baseret på dannelsen af ​​sedimentær sten, indikerer en sammenhæng mellem ilt og sediment. Begge grafer viser en mindre top for 2,3 milliarder år siden og en større for omkring 500 millioner år siden.

"Det er en sammenhæng, men vores argument er, at der er mekanistiske forbindelser mellem geologi og historien om atmosfærisk oxygen, " siger Husson. "Når du opbevarer sediment, det indeholder organisk stof, der blev dannet ved fotosyntese, som omdannede kuldioxid til biomasse og frigav ilt til atmosfæren. Begravelse fjerner kulstoffet fra jordens overflade, forhindrer det i at binde molekylært oxygen trukket fra atmosfæren."

Nogle af de stigninger i sedimentbegravelse, som Husson og Peters identificerede, faldt sammen med dannelsen af ​​enorme felter med fossilt brændstof, der stadig udvindes i dag, herunder det olierige Permian Basin i Texas og Pennsylvania-kulfelterne i Appalachia.

"At begrave de sedimenter, der blev til fossile brændstoffer, var nøglen til avanceret dyreliv på Jorden, Peters siger, bemærker, at flercellet liv i høj grad er en skabelse af kambrium.

I dag, afbrænding af milliarder af tons lagret kulstof i fossile brændstoffer fjerner store mængder ilt fra atmosfæren, vende det mønster, der drev iltstigningen. Og så falder iltniveauet i atmosfæren, når koncentrationen af ​​kuldioxid stiger.

Dataene om Nordamerika i Macrostrat afspejler tusindvis af geovidenskabsmænds arbejde gennem mere end et århundrede. Den aktuelle undersøgelse vedrører kun Nordamerika, da omfattende databaser vedrørende de øvrige 80 procent af Jordens kontinentale overflade endnu ikke eksisterer.

Den ultimative geologiske årsag til den accelererede sedimentlagring, der fremmede de to iltstigninger, forbliver uklar. "Der er mange ideer til at forklare de forskellige faser af iltkoncentration, " Husson indrømmer. "Vi har mistanke om, at dybt rodfæstede ændringer i bevægelsen af ​​tektoniske plader eller ledning af varme eller cirkulation i kappen kan være i spil, men vi har ikke en forklaring på nuværende tidspunkt."

Holder en del af trilobitbesat ordoviciumskifer, der blev dannet for omkring 450 millioner år siden, Peters spørger "Hvorfor er der ilt i atmosfæren? Gymnasieforklaringen er 'fotosyntese'." Men vi har vidst i lang tid, går helt tilbage til Wisconsin geolog (og University of Wisconsin præsident) Thomas Chrowder Chamberlin, at opbygning af ilt kræver dannelse af sten som denne sorte skifer, som kan være rig nok på kulstof til faktisk at brænde. Det organiske kulstof i denne skifer blev fikseret fra atmosfæren ved fotosyntese, og dens begravelse og bevarelse i denne klippe frigjorde molekylært oxygen."

Hvad er nyt i den nuværende undersøgelse, Husson siger, er evnen til at dokumentere dette forhold i en bred database, der dækker 20 procent af Jordens landoverflade.

Kontinuerlig nedgravning af kulstof er nødvendig for at holde atmosfæren pumpet op med ilt. Mange veje på jordens overflade, Husson bemærker, ligesom oxidation af jern - rust - forbruger fri ilt. "Hemmeligheden bag at have ilt i atmosfæren er at fjerne en lillebitte del af den nuværende biomasse og binde den i sedimentære aflejringer. Det er, hvad der skete, da fossile brændstoffer blev deponeret."