Et populært værktøj til at spore Jordens ilthistorie kan give falske positiver

For forskere, der forfølger iltens oprindelige historie i Jordens atmosfære, en ny undersøgelse kan få nogle "Eureka!" øjeblikke. Et nutidigt værktøj, der bruges til at spore ilt ved at undersøge gamle stenlag, kan producere falske positiver, ifølge undersøgelsen, og de egensindige resultater kan maskere som spændende opdagelser.

Almindelige molekyler kaldet ligander kan påvirke resultaterne af et populært kemisk sporstof kaldet chrom (Cr) isotopsystemet, som bruges til at teste sedimentære stenlag for spor om atmosfæriske iltniveauer i den epoke, hvor klippen dannede sig. Forskere ved Georgia Institute of Technology har demonstreret i laboratoriet, at mange ligander kunne have skabt et signal, der meget ligner molekylært ilt.

"Der er nogle geografiske placeringer og gamle situationer, hvor der kunne have været genereret målbare signaler, der ikke havde noget at gøre med, hvor meget ilt der var omkring, "sagde Chris Reinhard, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere. Selvom den nye forskning kan påvirke, hvordan nogle nylige fund vurderes, det betyder ikke, at værktøjet generelt ikke er nyttigt.

Rock record værktøj

"Vi forsøger ikke at revolutionere den måde, værktøjet ses på, "sagde Yuanzhi Tang, der ledede undersøgelsen. "Dette handler om at forstå dets mulige begrænsninger for at gøre kræsne brug af det i særlige tilfælde."

Tang og Reinhard, begge assisterende professorer i biogeokemi i Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences, offentliggjorde deres teams resultater i en undersøgelse den 17. november, 2017, i journalen Naturkommunikation . Deres arbejde blev finansieret af NASA Astrobiology Institute, NASA Exobiology -programmet, og Agouron Institute.

"På globalt plan, kromisotopsystemet er stadig en god indikator for atmosfæriske iltniveauer gennem tiderne, "Sagde Tang." Det problem, vi afslørede i laboratoriet, er mere lokalt med isolerede prøver, især i tidsperioder, hvor der ikke var meget atmosfærisk ilt. "

Springende ligander

Uden en dominerende ilttilstedeværelse, ligander sandsynligvis en stor reaktiv erstatning, som forskerne demonstrerede i reaktioner med chrom. Ligesom ilt, ligander tiltrækker stærkt elektronpar, hvilket er det, der kendetegner dem som en kemisk gruppe.

Og som reaktioner med ilt, reaktioner med ligander sætter metaller som chrom i stand til lettere at bevæge sig rundt i verden. I dette tilfælde, forskerne var interesserede i organiske ligander, ligander, der indeholder kulstof.

De var mere tilbøjelige til at matche iltens mobilitetseffekt på chrom, der fik det til at ende som de signaler i sedimentær sten, som forskere, i dag, se efter som et tegn på ældre atmosfærisk ilt.

Her er nogenlunde, hvordan chromisotopsystemet fungerer, efterfulgt af, hvordan organiske ligander kunne skabe falske positiver.

Krom rutsjebane

Jorden er et enormt kemisk laboratorium, der udfører reaktioner under forhold, der varierer fra arktisk kulde til vulkansk varme, og fra knusning af havdybder til øvre atmosfærer uden tryk. Vind og bølger fejer rundt i materialer som turbulente transportbånd, deponere nogle i sedimenter, der senere bliver til sten.

Chroms billet til rutsjebanen i sedimentære sten var normalt et oxidationsmiddel, der gjorde det mere opløseligt og bedre i stand til at flyde, og atmosfærisk ilt var en ideel oxidator. Den kemiske reaktion, som findes i undersøgelsen og involverede manganoxid, der afgav iltstoffer til chrom, ville være lidt som at tilføje pontoner til chromforbindelser.

I milliarder af år, Jordens atmosfære var næsten blottet for O2, men efter ilt begyndte at stige, især i de sidste 800 millioner år, det blev den dominerende oxidator. Og egenskaber ved chromaflejringer i gamle lag af sten blev en stor indikator for, hvor meget O2 der var i atmosfæren.

I dag, forskere tester dybe stenlagsprøver for forholdet mellem to chromisotoper, 52Cr, langt den mest almindelige Cr -isotop, og 53Cr, at læse om ilttilstedeværelse på tværs af geologiske epoker.

"Du pulverer klippen op; du opløser den med syre, og derefter måler du forholdet mellem 53Cr og 52Cr i materialet ved hjælp af massespektrometri, "Sagde Reinhard." Det er forholdet, der betyder noget, og det vil blive kontrolleret af en række komplekse processer, men generelt set forhøjet 53Cr i havsedimentsten har en tendens til at indikere ilt i atmosfæren. "

I øvrigt, disse Cr -isotoper er stabile og undergår ikke radioaktivt henfald, således fungerer systemet ikke som radiocarbon dating, som er afhængig af henfald af kulstof 14.

Kemisk bedrager

I laboratoriet, med et lille sortiment af organiske ligander, Tangs gruppe viste, at reaktioner af chrom med ligander førte til 53Cr/52Cr-signaler, der tæt efterlignede dem, der stammer fra oxygen-chromreaktioner.

"Ligander har også evnen til at mobilisere chrom, "Sagde Tang." Faktisk ligander kan være en væsentlig faktor ved styring af chromisotopsignaler i visse stenrekorder. "

Organiske ligander var sandsynligvis rundt længe før Jordens atmosfære fyldtes med O2. Og i dag, hundredvis af millioner af år efter, at reaktionerne fandt sted, det er dybest set umuligt at finde ud af, om ilt eller ligander var på arbejde.

Små uoverensstemmelser

Hvis der ikke tages højde for, ligandreaktioner kan forvrænge små detaljer i stenrekorder om atmosfærisk ilt, og det kan de allerede have.

Ligesom paleontologer, som katalogiserer gamle dyreknogler og andre fossiler, geologer holder massive, digitaliserede stenarkiver, som de studerer for at lære mere om Jordens gamle geologiske historie. Forskere begyndte at teste fysiske prøver af dem med Cr -isotopsystemet omkring 2009 og tilføjede resultaterne til optegnelserne.

"Siden da, nogle uoverensstemmelser er dukket op, "Reinhard sagde." Gamle jordlag viste tegn på ilt, når det sandsynligvis ikke skulle have været der. Andre prøver fra samme periode viste ikke det signal. "

Men nogle forskere konfronteret med ulige Cr -signaler har troet, at de måske var faldet over et radikalt fund, og de udviklede forklaringer på, hvordan O2 kan have været overraskende rigeligt på det ensomme sted, hvor et bestemt klippelag dannede sig, mens molekylært ilt var sparsomt på resten af ​​kloden. Andre undrede sig over, at atmosfæriske O2 -niveauer kan være steget meget tidligere, end overvældende brede beviser har vist.

"Meget af det kunne kridtes op til andre kemiske processer og ikke til interaktioner med ilt, "Sagde Reinhard.

Undersøgelsen kan tjene som en advarsel om, hvordan man ser Cr -isotopdata, især når de springer ud af siden.