W ciągu ostatnich kilku lat nastąpiła eksplozja odkryć egzoplanet. Niektóre z tych światów znajdują się w tym, co nazywamy „strefą zamieszkiwaną”, przynajmniej we wstępnych obserwacjach. Ale ilu z nich będzie miało podtrzymujące życie, bogate w tlen atmosfery w tym samym stylu co Ziemia?
Nowe badanie sugeruje, że oddychające atmosfery mogą nie być tak rzadkie, jak myśleliśmy na planetach tak starych jak Ziemia.
Ziemia zajęła dużo czasu, aby rozwinąć utlenowaną atmosferę, którą teraz cieszymy się. Jeszcze około 2,4 miliarda lat temu na naszej planecie było znacznie mniej tlenu w atmosferze i oceanach. Wszystko to zmieniło się, gdy miało miejsce duże wydarzenie dotleniające; pierwszy z trzech, który ukształtował Ziemię.
Trzyetapowy model natlenienia Ziemi jest dość szeroko rozumiany i akceptowany, choć nie bez kontrowersji. Model przedstawia trzy główne zmiany w historii Ziemi, przy czym każda z nich zasadniczo zmienia atmosferę Ziemi poprzez dodanie większej ilości tlenu.
Te trzy wydarzenia to:
- Wielkie wydarzenie oksydacyjne miało miejsce około 2,4 miliarda lat temu w erze paleoproterozoicznej. W tym przypadku biologicznie wytwarzany tlen gromadził się w oceanach i atmosferze, prawdopodobnie prowadząc do początkowego wyginięcia masy.
- Wydarzenie Neoproterozoiczne Dotlenienie spowodowało gwałtowny wzrost poziomu tlenu i poprzedzało eksplozję kambryjską około 540 milionów lat temu.
- Paleozoiczne zjawisko dotlenienia wydarzyło się około 400 milionów lat temu, a tlen osiągnął obecny poziom około 21%.
Historia dotlenienia Ziemi jest skomplikowana. To nie był postęp liniowy. Początkowo tlen był wytwarzany jako odpadowy produkt uboczny przez formy życia i znaczna jego część została pochłonięta przez skorupę ziemską. Tlen jest bardzo reaktywny i tworzył różnego rodzaju związki z innymi pierwiastkami i uwięził się w skorupie. W szczególności zareagował z żelazem, tworząc tlenek żelaza w zapisie geologicznym, jednym z naszych najlepszych wskaźników, kiedy tlen dostał się do atmosfery.
Jednak wokół tego modelu jest wiele dyskusji. Według jednego ze zrozumienia modelu bakterie fotosyntetyczne w oceanie wytwarzały znaczną część wczesnego tlenu. Potem pojawiły się planety lądowe setki milionów lat później, ponownie podnosząc poziom tlenu. Istnieją również dowody na to, że pewną rolę odegrała tektonika płyt i masywne erupcje wulkaniczne.
Artykuł autorów tego nowego badania mówi, że ten model sugeruje, że do stworzenia świata bogatego w tlen potrzebny jest pewien poziom szczęścia. „Gdyby nie wybuchła jedna erupcja wulkaniczna lub pewien rodzaj organizmu nie ewoluował, wówczas tlen mógłby utknąć na niskim poziomie” - mówi.
Ale może tak nie jest.
Ich nowe badanie zatytułowane jest „Stopniowe natlenienie Ziemi jest nieodłączną właściwością globalnego cyklu biogeochemicznego”, a słowo „nieodłączne” jest tutaj kluczowe. Autorzy twierdzą, że kiedy mieliśmy odpowiednie drobnoustroje i tektonikę płyt, które zostały założone 3 miliardy lat temu, było tylko kwestią czasu, zanim osiągniemy poziom tlenu, który mamy teraz. Bez względu na wulkany i rośliny lądowe.
“Te badania naprawdę sprawdzają nasze rozumienie tego, w jaki sposób Ziemia stała się bogata w tlen, a tym samym mogła wspierać inteligentne życie.“
Lewis Alcott, główny autor, Earth Surface Science Institute, Leeds University.
Jak mówią badania, zamiast sił zewnętrznych był to „zestaw wewnętrznych sprzężeń zwrotnych obejmujących globalne cykle fosforu, węgla i tlenu”, które doprowadziły do natlenienia Ziemi. W rzeczywistości cykle te „wytworzyłyby ten sam trzystopniowy wzór obserwowany w zapisie geologicznym”.
Wszystko sprowadza się do tego, z artykułu: „Wnioskujemy, że zdarzenia tlenowe Ziemi są całkowicie zgodne ze stopniowym natlenianiem powierzchni planety po ewolucji fotosyntezy tlenowej”.
Ale jak doszli do tego wniosku?
Naukowcy pochodzą z Leeds University w Wielkiej Brytanii. Głównym autorem jest Lewis J. Alcott, doktorant z Earth Surface Science Institute. Alcott i inni badacze pracowali z ugruntowanym modelem biogeochemii morskiej i zmodyfikowali go. Przeszukali ten model w całej historii Ziemi i odkryli, że sam wyprodukował trzy główne zdarzenia dotlenienia.
W komunikacie prasowym Alcott powiedział: „Te badania naprawdę sprawdzają nasze zrozumienie, w jaki sposób Ziemia stała się bogata w tlen, a tym samym jest w stanie wspierać inteligentne życie”.
Dominujące myślenie o historii natlenienia Ziemi opiera się na kilku szerokich kategoriach wydarzeń w celu wyjaśnienia tego. Jednym z nich jest znaczący rozwój ewolucyjny w formach życia, które wytwarzają tlen. Zasadniczo „rewolucje biologiczne”, w których formy życia stawały się coraz bardziej złożone, i stworzyły środowisko bogate w tlen. Drugą kategorią są obroty tektoniczne: dramatyczny i szczególny wzrost aktywności tektonicznej, w tym znacznej aktywności wulkanicznej, która zmieniła skorupę i doprowadziła do wyższych poziomów tlenu.
Odbyło się wiele dyskusji na temat dokładnej natury obu tych szerokich kategorii, ale to nowe badanie daje naukowcom coś więcej do przemyślenia. Nowe badanie wskazuje na cykle sprzężenia zwrotnego między fosforem, węglem i tlenem, a nie poleganiem na „krokowych” zdarzeniach, które można wskazać w zapisie geologicznym w celu wyjaśnienia natlenienia.
Badanie sugeruje również, że dotlenienie było nieuniknione.
Współautor badania, profesor Simon Poulton, również ze Szkoły Ziemi i Środowiska w Leeds, powiedział: „Nasz model sugeruje, że natlenienie Ziemi do poziomu, który może utrzymać złożone życie, było nieuniknione, gdy ewoluują drobnoustroje wytwarzające tlen. ”
Sercem tego nowego modelu jest morski cykl fosforu. Ich model wytworzył ten sam trzyetapowy wzór natlenienia, jakiego doświadczył Ziemia „napędzany wyłącznie przez stopniowe przejście od warunków redukujących do utleniających na powierzchni. Przejścia zależą od reakcji morskiego cyklu fosforu na zmieniające się poziomy tlenu oraz tego, jak wpływa to na fotosyntezę, która wymaga fosforu. ”
„Nasze prace pokazują, że związek między globalnym cyklem fosforu, węgla i tlenu ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia historii natlenienia Ziemi. Pomoże nam to lepiej zrozumieć, w jaki sposób planeta inna niż nasza może zostać zamieszkana ”- powiedział starszy autor dr Benjamin Mills.
Mamy więc nadzieję na niektóre z tych egzoplanet.
To badanie nie będzie ostatnim słowem w tej sprawie. Ale jest to intrygujący wynik, a jeśli przeciwstawi się dalszej analizie naukowej, może mieć wpływ na to, jak scharakteryzujemy egzoplanety, które już znaleźliśmy, i tysiące innych, które znajdziemy w TESS i innych teleskopach do odkrywania planet.
Więcej:
- Informacja prasowa: Tchnąć nowe życie w debatę tlenową na Ziemi
- Artykuł badawczy: Stopniowe natlenienie Ziemi jest nieodłączną właściwością globalnego cyklu biogeochemicznego
- Artykuł: Oddychające atmosfery mogą być bardziej powszechne we wszechświecie, niż początkowo sądziliśmy
- Research Paper (2014): Wzrost zawartości tlenu we wczesnym oceanie i atmosferze Ziemi
