Jedną z nierozwiązanych jeszcze tajemnic dotyczących historii Ziemi jest to, w jaki sposób planeta uległa dotlenianiu i oddychaniu miliardy lat temu. Nowe badanie mówi, że winowajcą mogły być gigantyczne płyty skalne, które tworzą zewnętrzną powłokę Ziemi.
Gdy te tak zwane płyty poruszały się, w procesie zwanym tektoniką płyt, zakopywaly bogate w węgiel pozostałości martwych stworzeń pod innymi płytami, ślizgając się pod nimi. Naukowcy stwierdzili, że w płaszczu Ziemi pod skorupą węgiel nie byłby w stanie reagować z tlenem, pozostawiając ten istotny składnik w atmosferze.
Do czasu wielkiego wydarzenia dotlenienia atmosfera planety była mieszaniną azotu, dwutlenku węgla, pary wodnej i metanu. Następnie, 2,5 miliarda lat temu, klasa jednokomórkowych stworzeń zaczęła wykorzystywać ten dwutlenek węgla i wytwarzać tlen jako produkt odpadowy. Ale tlen jest wysoce reaktywny; reakcje ze skałami powierzchniowymi i węglem wyciekającym z resztek martwych organizmów szybko zubożałyby pierwiastek.
Zakopywanie węgla
Nowe badanie przeprowadzone przez Megan Duncan i Rajdeep Dasgupta z Rice University w Teksasie wykazało, że węgiel z martwych stworzeń został wepchnięty pod skorupę ziemską lub subdukowany, tworząc grafity i starożytne diamenty. W związku z tym, jak powiedział duet, Wielkie Wydarzenie Dotlenienia było częściowo spowodowane początkiem „nowoczesnej” tektoniki płyt, w której skorupa ziemska jest podzielona na ogromne płyty, które zderzają się, przepychają i ślizgają nad sobą.
Proces był na tyle wydajny, że węgiel nie miał czasu na reakcję z tlenem, więc tlen - produkt odpadowy wszystkich tych wczesnych stworzeń - pozostawał w atmosferze i gromadził się w pobliżu poziomów obserwowanych dzisiaj. Rezultat: atmosfera podatna na przyszłe oddychanie tlenem.
„Prace rozpoczęto od rozważenia procesów zachodzących dziś w strefach subdukcji” - powiedział Duncan Live Science. „A potem zastanawiasz się, co się stało w starożytnych strefach subdukcji.”
Duncan zastosował komputerowy model atmosfery pokazujący reakcję między dwutlenkiem węgla a wodą. Kiedy dwa reagują, wytwarzają tlen cząsteczkowy (złożony z dwóch atomów tlenu) i formaldehyd (związek złożony z węgla, wodoru i tlenu). Formaldehyd niekoniecznie musi produkować żywe stworzenia; Duncan powiedział, że jest to alternatywa dla bardziej złożonych związków węgla organicznego.
Zwykle reakcja ta jest zrównoważona; tlen wraca do obiegu, tworząc więcej dwutlenku węgla (CO2) i wody, pozostawiając atmosferę pozbawioną tlenu. Właśnie tam wchodzą tektoniki płyt, twierdzą naukowcy. Według nowych badań, płyty przepychające wypychały cały formaldehyd pod ziemię, pozostawiając powietrze z większą ilością tlenu. Tymczasem bez formaldehydu prowadzącego „zrównoważoną” reakcję chemiczną, dodatkowy CO2 pozostałby w atmosferze, pomagając oddychaczom CO2 rozwijać się i wytwarzać jeszcze więcej tlenu jako odpad, jak odkryli naukowcy w swoim modelu komputerowym.
Utrzymywanie węgla w ryzach
Aby sprawdzić swoją hipotezę, naukowcy wykorzystali zarówno starsze pomiary węgla w starożytnej skorupie, jak i eksperymenty laboratoryjne. Na przykład w niektórych starożytnych diamentach występuje pewna ilość węgla-13, izotopu węgla występującego w tkankach żywych organizmów. Dane te wykazały, że pewna ilość węgla organicznego wyraźnie przedostała się do płaszcza (pod skorupą ziemską), twierdzą naukowcy.
Następnym pytaniem było, czy węgiel pozostanie tam. Duncan stopił kawałek krzemianowego szkła i dodał do niego grafit. Duncan powiedział, że szkło symuluje starożytną skorupę, a grafit reprezentuje węgiel z organizmów. Następnie podniosła ciśnienie i temperaturę, zaczynając od około 14 800 atmosfer ciśnienia i zwiększając ją do 29 000 atmosfer (to około 435,000 funtów na cal kwadratowy). Wyniki wykazały, że węgiel może rozpuszczać się w skale w warunkach prawdopodobnie obecnych we wczesnym płaszczu Ziemi, jak wykazały badania. Wynik pokazał również, że węgiel najprawdopodobniej pozostanie pod skorupą przez miliony lat, zanim wulkany ponownie go wypalą.
Duncan powiedział, że dokładne określenie mechanizmu Wielkiego Wydechu Tlenowego nie będzie łatwe, i prawdopodobnie obejmowało kilka mechanizmów, a nie tylko jeden. Powiedziała, że jednym z wyzwań jest harmonogram rozpoczęcia subdukcji.
„Jeśli nowoczesne procesy tektoniczne płyt zawsze były w akcji, to nie działa”, powiedział Duncan. Duncan dodał, że inne dowody wskazują, że wczesna Ziemia mogła początkowo nie mieć tektoniki płytowej i że proces ten rozpoczął się później.
„To zależy również od tego, ile węgla organicznego usunięto z powierzchni”, napisał Duncan w e-mailu. „Ile węgla organicznego dostało się do dna oceanu (co prawdopodobnie zależy od starożytnej chemii oceanu). Wiemy, że dzieje się to dzisiaj. Możemy wyjść i zmierzyć. Widzimy to w starożytnych skałach i potencjalnie w diamentach, więc uważają, że węgiel organiczny był obecny i subdukowany w całej historii Ziemi ”.
Powiedziała, że problemem jest dokładne określenie, ile i jak szybko.
Tim Lyons, profesor biogeochemii na University of California Riverside, zgodził się, że powiązanie tego modelu ze znanym zapisem w skałach jest wyzwaniem. „Jedno z moich pytań dotyczy tego, czy dane te można powiązać z solidnym zapisem historii subdukcji” - powiedział Lyons.
„Zaproponowano wiele mechanizmów powodujących GOE; żadne z nich nie jest w stanie odtworzyć wielkości wzrostu O2 obserwowanego na podstawie zapisu” - powiedział Duncan. „Prawdopodobnie była to kombinacja wielu z tych mechanizmów, w tym subdukcji, która pozwoliła na podniesienie poziomu O2 i utrzymanie go przez resztę historii Ziemi”.
Badanie pojawiło się (25 kwietnia) w czasopiśmie Nature Geoscience.
