Ny undersøgelse peger på en årsag til flere mysterier, der er forbundet med ilt, der kan ånde

Jordens åndbare atmosfære er nøglen til livet, og en ny undersøgelse tyder på, at det første iltudbrud blev tilføjet af en strøm af vulkanudbrud forårsaget af tektonik.

Undersøgelsen af ​​geoforskere ved Rice University tilbyder en ny teori til at hjælpe med at forklare udseendet af betydelige iltkoncentrationer i Jordens atmosfære for omkring 2,5 milliarder år siden, noget forskere kalder Great Oxidation Event (GOE). Undersøgelsen vises i denne uge i Naturgeovidenskab .

"Det, der gør dette unikt, er, at det ikke bare er at forsøge at forklare iltstigningen, "sagde studielederforfatter James Eguchi, en postdoktor ved NASA ved University of California, Riverside, der udførte arbejdet for sin ph.d. afhandling ved Rice. "Det forsøger også at forklare en nært forbundet overfladegeokemi, en ændring i sammensætningen af ​​kulstofisotoper, der observeres i karbonatstenrekorden relativt kort tid efter oxidationshændelsen. Vi forsøger at forklare dem alle med en enkelt mekanisme, der involverer det dybe jordinteriør, tektonik og øget afgasning af kuldioxid fra vulkaner. "

Eguchis medforfattere er Rajdeep Dasgupta, en eksperimentel og teoretisk geokemiker og professor i Rices Department of Earth, Miljø- og planetariske videnskaber, og Johnny Seales, en Ris -kandidatstuderende, der hjalp med modelberegningerne, der validerede den nye teori.

Forskere har længe peget på fotosyntese - en proces, der producerer iltaffald - som en sandsynlig kilde til øget ilt under GOE. Dasgupta sagde, at den nye teori ikke diskonterer den rolle, som de første fotosyntetiske organismer, cyanobakterier, spillede i GOE.

"De fleste tror, ​​at iltstigningen var forbundet med cyanobakterier, og de tager ikke fejl "sagde han." Fremkomsten af ​​fotosyntetiske organismer kunne frigive ilt. Men det vigtigste spørgsmål er, om tidspunktet for denne fremkomst stemmer overens med tidspunktet for den store oxidationshændelse. Det viser sig, de gør ikke."

Cyanobakterier levede på Jorden så meget som 500 millioner år før GOE. Mens en række teorier er blevet tilbudt at forklare, hvorfor det kan have taget så lang tid, før ilt dukkede op i atmosfæren, Dasgupta sagde, at han ikke var opmærksom på nogen, der samtidig har forsøgt at forklare en markant ændring i forholdet mellem kulstofisotoper i carbonatmineraler, der begyndte cirka 100 millioner år efter GOE. Geologer omtaler dette som Lomagundi -begivenheden, og det varede flere hundrede millioner år.

Ét ud af hundrede kulstofatomer er isotopen carbon-13, og de andre 99 er carbon-12. Dette 1-til-99-forhold er veldokumenteret i carbonater, der dannedes før og efter Lomagundi, men dem, der blev dannet under arrangementet, har cirka 10% mere carbon-13.

Eguchi sagde, at eksplosionen i cyanobakterier forbundet med GOE længe har været betragtet som en rolle i Lomagundi.

"Cyanobakterier foretrækker at tage kulstof-12 i forhold til kulstof-13, "sagde han." Så når du begynder at producere mere organisk kulstof, eller cyanobakterier, så er reservoiret, hvorfra carbonaterne produceres, udtømt i carbon-12. "

Eguchi sagde, at folk forsøgte at bruge dette til at forklare Lomagundi, men timing var igen et problem.

"Når du rent faktisk ser på den geologiske rekord, stigningen i carbon-13-to-carbon-12-forholdet sker faktisk op til 10'er af millioner af år efter ilt steg, "sagde han." Så så bliver det svært at forklare disse to begivenheder gennem en ændring i forholdet mellem organisk kulstof og carbonat. "

Scenariet Eguchi, Dasgupta og Seales nåede frem til at forklare alle disse faktorer er:

• En dramatisk stigning i tektonisk aktivitet førte til dannelsen af ​​hundredvis af vulkaner, der spydede kuldioxid ud i atmosfæren.
• Klimaet blev varmere, stigende nedbør, hvilket igen øgede "forvitring, "Den kemiske nedbrydning af stenrige mineraler på Jordens golde kontinenter.
• Forvitring frembragte en mineralrig afstrømning, der strømmede ud i havene, understøtter et boom i både cyanobakterier og carbonater.
• Det organiske og uorganiske kulstof fra disse havnede på havbunden og blev til sidst genanvendt tilbage i Jordens kappe ved subduktionszoner, hvor oceaniske plader slæbes under kontinenter.
• Da sedimenter smeltede ind i kappen igen, uorganisk kulstof, hostet i carbonater, havde en tendens til at blive frigivet tidligt, genindtræden i atmosfæren gennem buevulkaner direkte over subduktionszoner.
• Organisk kulstof, som indeholdt meget lidt carbon-13, blev trukket dybt ind i kappen og opstod flere hundrede millioner år senere som kuldioxid fra øens hotspot -vulkaner som Hawaii.

"Det er lidt af en stor cyklisk proces, "Sagde Eguchi." Vi tror, ​​at mængden af ​​cyanobakterier steg for omkring 2,4 milliarder år siden. Så det ville drive vores iltstigning. Men stigningen i cyanobakterier er afbalanceret af stigningen i carbonater. Så det kulstof-12-til-kulstof-13-forhold ændres ikke, før både carbonaterne og organisk kulstof, fra cyanobakterier, blive subduceret dybt ned i jorden. Når de gør, geokemi spiller ind, får disse to former for kulstof til at opholde sig i kappen i forskellige tidsperioder. Karbonater frigives meget lettere i magmas og frigives tilbage til overfladen i en meget kort periode. Lomagundi starter, når det første carbon-13-berigede carbon fra carbonater vender tilbage til overfladen, og det ender, når det kulstof-12-berigede organiske kulstof vender tilbage meget senere, genbalancere forholdet. "

Eguchi sagde, at undersøgelsen understreger betydningen af ​​den rolle, dybe jordprocesser kan spille i udviklingen af ​​liv på overfladen.

"Vi foreslår, at kuldioxidemissioner var meget vigtige for denne spredning af liv, "sagde han." Det forsøger virkelig at knytte sammen, hvordan disse dybere processer tidligere har påvirket overfladelivet på vores planet. "

Dasgupta er også hovedforsker på en NASA-finansieret indsats kaldet CLEVER Planets, der undersøger, hvordan livsvigtige elementer kan komme sammen på fjerne eksoplaneter. Han sagde, at en bedre forståelse af, hvordan Jorden blev beboelig, er vigtig for at studere beboelighed og dens udvikling på fjerne verdener.

"Det ser ud til, at Jordens historie kræver, at tektonik spiller en stor rolle for beboelighed, men det betyder ikke nødvendigvis, at tektonik er absolut nødvendig for iltopbygning, "sagde han." Der kan være andre måder at bygge og opretholde ilt på, og at udforske dem er en af ​​de ting, vi forsøger at gøre på CLEVER Planets. "