Gjorde pladetektonik scenen for livet på Jorden?

En ny undersøgelse tyder på, at hurtig afkøling i jordens kappe gennem pladetektonik spillede en stor rolle i udviklingen af ​​de første livsformer, hvilket igen førte til iltningen af ​​Jordens atmosfære. Undersøgelsen blev offentliggjort i marts 2018-udgaven af Earth and Planetary Science Letters .

Forskere ved University of Adelaide og Curtin University i Australien, og University of California ved Riverside, Californien, USA, indsamlet og analyseret data om vulkanske sten fra geologiske og geokemiske datalagre i Australien, Canada, New Zealand, Sverige og USA. De fandt ud af, at i løbet af de 4,5 milliarder år af Jordens udvikling, bjergarter rige på fosfor akkumuleret i jordskorpen. De så derefter på forholdet mellem denne ophobning og ilt i atmosfæren.

Fosfor er afgørende for livet, som vi kender det. fosfater, som er forbindelser, der indeholder fosfor og ilt, er en del af rygraden i DNA og RNA samt cellernes membraner, og hjælpe med at kontrollere cellevækst og funktion.

For at finde ud af, hvordan niveauet af fosfor i jordskorpen er steget over tid, forskerne undersøgte, hvordan sten blev dannet, da Jordens kappe afkøledes. De udførte modellering for at finde ud af, hvordan kappeafledte bjergarter ændrede sammensætning som en konsekvens af den langsigtede afkøling af kappen.

Deres resultater tyder på, at i løbet af en tidlig, varmere periode i Jordens historie – den arkæiske periode for mellem fire og 2,5 milliarder år siden – var der en større mængde smeltet kappe. Fosfor ville have været for fortyndet i disse klipper. Imidlertid, over tid, Jorden afkølede tilstrækkeligt, hjulpet af begyndelsen af ​​pladetektonik, hvor planetens koldere ydre skorpe er subdugeret tilbage i den varme kappe. Med denne køling, delvise kappesmeltninger blev mindre.

Som Dr. Grant Cox, en jordforsker ved University of Adelaide og en medforfatter af undersøgelsen, forklarer, resultatet er, at "fosfor vil blive koncentreret i små procentdele smelter, så når kappen afkøles, mængden af ​​smelte, du udvinder, er mindre, men den smelte vil have højere koncentrationer af fosfor i sig."

Fosfors rolle i oxidationen af ​​Jorden

Fosforen blev koncentreret og krystalliseret til et mineral kaldet apatit, som blev en del af de magmatiske bjergarter, der blev skabt af den afkølede kappe. Til sidst, disse klipper nåede Jordens overflade og udgjorde en stor del af skorpen. Når fosformineraler, der stammer fra skorpen, blandes med vandet i søer, floder og oceaner, apatit nedbrydes til fosfater, som blev tilgængelig for udvikling og næring af det primitive liv.

Forskerne estimerede blandingen af ​​elementer fra jordskorpen med havvand over tid. De fandt ud af, at højere niveauer af bio-essentielle elementer sideløbende med store stigninger i iltningen af ​​Jordens atmosfære:Great Oxidation Event (GOE) for 2,4 milliarder år siden, og den neoproterozoiske iltbegivenhed, 800 millioner år siden, hvorefter iltniveauer formodes at være høje nok til at understøtte multicellulært liv.

Selv før GOE, fra cirka 3,5 til 2,5 milliarder år siden, nogle af de tidligste livsformer genererede muligvis ilt gennem fotosyntese. Imidlertid, i det tidsrum, det meste af denne ilt reagerede med jern og svovl i vulkanske sten. For at forstå, hvordan disse reaktioner påvirkede iltniveauet i atmosfæren over en periode på fire milliarder år, forskerne målte mængderne af svovl og jern i vulkanske sten, og fandt ud af hvor meget ilt der havde reageret. De sammenlignede alle disse begivenheder med ændringer i niveauet af atmosfærisk ilt. Forskerne fandt ud af, at fald i svovl og jern sammen med stigninger i fosfor var parallelt med den store oxidationsbegivenhed og den neoproterozoiske iltbegivenhed.

En eksplosion af liv

Alle disse begivenheder understøtter et scenario, hvor afkøling af Jordens kappe førte til stigning i fosforrige sten i jordskorpen. Disse klipper blandede sig derefter med oceanerne, hvor fosforholdige mineraler blev nedbrudt og udvasket i vandet. Når fosforniveauet i havvand var højt nok, primitive livsformer trivedes og deres antal steg, så de kunne generere nok ilt til at det meste nåede atmosfæren. Oxygen nåede niveauer, der var tilstrækkelige til at understøtte flercellet liv.

Dr. Peter Cawood, en geolog ved Monash University i Melbourne, Australien, kommentarer til Astrobiology Magazine, at "det er spændende at tænke på, at det [ilt], som vi er afhængige af for livet, skylder sin ultimative oprindelse til sekulære fald i kappetemperaturen, som menes at være faldet fra ca. 1, 550 grader Celsius for omkring tre milliarder år siden til omkring 1, 350 grader Celsius i dag."

Kunne et lignende scenarie udspille sig på en mulig exo-jord? Med Keplers opdagelser af et voksende antal af muligvis jordlignende planeter, kunne nogen af ​​disse støtte livet? Cawood antyder, at fundet er potentielt signifikant for udviklingen af ​​aerobt liv (dvs. liv, der udvikler sig i et iltrigt miljø) på exoplaneter. "Dette er forudsat, at [fosfor] i de magmatiske bjergarter på planetens overflade gennemgår forvitring for at sikre dets biotilgængelighed, " siger Cawood. "Betydende, fosforindholdet i magmatiske bjergarter er højest i de bjergarter med lavt indhold af silica [klipper dannet ved hurtig afkøling], og klipper af denne sammensætning dominerer skorpene på Venus og Mars og sandsynligvis også på exoplaneter."

Cox afslutter med at sige, at "Dette forhold [mellem stigende iltniveauer og kappeafkøling] har konsekvenser for enhver jordisk planet. Alle planeter vil afkøle, og dem med effektiv pladetektonisk konvektion vil afkøle hurtigere. Vi er tilbage med at konkludere, at hastigheden af ​​en sådan afkøling kan påvirke hastigheden og mønsteret af biologisk udvikling på enhver potentielt beboelig planet."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASA's Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.