De sidste par år har der været en eksplosion af eksoplanetopdagelser. Nogle af disse verdener er i det, vi betragter som den "beboelige zone" i det mindste i indledende observationer. Men hvor mange af dem vil have livsunderstøttende, iltrige atmosfærer i samme vene som Jordens?
En ny undersøgelse antyder, at åndbare atmosfærer måske ikke er så sjældne, som vi troede på planeter, så gamle som Jorden.
Jorden tog lang tid at udvikle den iltede atmosfære, som vi nyder nu. Indtil for ca. 2,4 milliarder år siden havde vores planet langt mindre ilt i sin atmosfære og oceaner. Det hele ændrede sig, når en større iltningshændelse fandt sted; den første af tre, der formede Jorden.
Tretrinsmodellen for Jordens iltning er temmelig bredt forstået og accepteret, skønt den ikke er uden kontroverser. Modellen skitserer tre større forskydninger i Jordens historie, hvor hver enkelt ændrer Jordens atmosfære væsentligt ved at tilføje mere ilt.
De tre begivenheder var:
- Den store oxidationsbegivenhed fandt sted for omkring 2,4 milliarder år siden under den paleo-proterozoiske æra. I dette tilfælde producerede biologisk ilt akkumuleret i havene og atmosfæren, hvilket sandsynligvis fører til en indledende masseudryddelse.
- Begivenheden Neoproterozoic Oxygenation oplevede en dramatisk stigning i iltniveauer og gik forud for den kambriske eksplosion for omkring 540 millioner år siden.
- Begivenheden Paleozoic Oxygenation skete for omkring 400 millioner år siden og så ilt nå sit nuværende niveau på ca. 21%.
Historien om Jordens iltning er kompliceret. Det var ikke en lineær progression. Først blev ilt produceret som et affaldsbiprodukt af livsformer, og meget af det blev optaget af jordskorpen. Oxygen er meget reaktiv, og den dannede alle mulige forbindelser med andre elementer og blev låst i skorpen. Især reagerede det med jern for at producere jernoxid i den geologiske registrering, en af vores bedste indikatorer for, hvornår ilt kom ind i atmosfæren.
Der er dog meget debat omkring denne model. Ifølge en forståelse af modellen producerede fotosyntetiske bakterier i havet meget af det tidlige ilt. Derefter fulgte landbaserede planeter hundreder af millioner af år senere og hævede iltniveauet igen. Der er også bevis for, at pladetektonik og massive vulkanudbrud spillede en rolle.
En artikel af forfatterne af denne nye undersøgelse siger, at denne model indebærer, at et vist held er nødvendigt for at skabe en iltrig verden. ”Hvis et vulkanudbrud ikke var sket, eller en bestemt type organisme ikke havde udviklet sig, ville ilt muligvis være stoppet i lave niveauer,” siges det.
Men måske er det ikke tilfældet.
Deres nye undersøgelse har titlen ”Trinvis jordens iltning er en iboende egenskab ved global biogeokemisk cykling”, og ordet ”iboende” er nøglen her. Forfatterne siger, at når vi havde de rigtige mikrober og pladetektonik, som begge blev etableret for 3 milliarder år siden, var det kun et spørgsmål om tid, før vi nåede det iltniveau, vi har nu. Uanset vulkaner og landbaserede planter.
“Denne forskning tester virkelig vores forståelse af, hvordan Jorden blev iltrig og dermed i stand til at understøtte intelligent liv.“
Lewis Alcott, hovedforfatter, Earth Surface Science Institute, Leeds University.
I stedet for eksterne kræfter var det ”et sæt interne feedbacks, der involverede den globale fosfor-, kulstof- og iltcyklus”, der førte til Jordens iltning, som undersøgelsen siger. Faktisk ville disse cyklusser have "produceret det samme tretrinsmønster observeret i den geologiske registrering."
Det kommer alt sammen ned fra papiret: ”Vi konkluderer, at Jordens iltningshændelser er helt i overensstemmelse med gradvis iltning af planetoverfladen efter udviklingen af ilt-fotosyntesen.”
Men hvordan kom de til den konklusion?
Forskerne er fra Leeds University i England. Hovedforfatter er Lewis J. Alcott, en ph.d.-studerende med base på Earth Surface Science Institute. Alcott og de andre forskere arbejdede med en veletableret model for marin biogeokemi og modificerede den. De kørte denne model på tværs af hele Jordens historie og fandt, at den producerede de tre vigtigste iltdannelsesbegivenheder alene.
I en pressemeddelelse sagde Alcott: "Denne forskning tester virkelig vores forståelse af, hvordan Jorden blev iltrig og dermed i stand til at understøtte intelligent liv."
Den dominerende tankegang bag Jordens iltningshistorie er afhængig af et par brede kategorier af begivenheder for at forklare det. Den ene er den største evolutionære udvikling i livsformer, der producerer ilt. Grundlæggende "biologiske revolutioner", hvor livsformer blev gradvist mere komplekse og konstruerede et iltrige miljø. Den anden kategori er tektoniske omdrejninger: en dramatisk og særlig stigning i tektonisk aktivitet, inklusive betydelig vulkansk aktivitet, der ændrede skorpen og førte til større iltniveauer.
Der har været en masse debat omkring den nøjagtige karakter af begge disse brede kategorier, men denne nye undersøgelse giver forskere noget mere at tænke på. I stedet for at stole på ”trinvise” begivenheder, der kan fastlægges i den geologiske registrering for at forklare iltning, peger den nye undersøgelse på feedbackcykler mellem fosfor, kulstof og ilt.
Undersøgelsen antyder også, at iltning var uundgåelig.
Undersøgelse af medforfatter professor Simon Poulton, også fra School of Earth and Environment i Leeds, sagde: ”Vores model antyder, at iltning af jorden til et niveau, der kan opretholde et komplekst liv, var uundgåeligt, når mikroberne, der producerer ilt, havde udviklet sig. ”
I hjertet af denne nye model er den marine fosforcyklus. Deres model producerede det samme tretrins oxygenationsmønster, som Jorden oplevede ”, når de kun blev drevet af en gradvis skift fra reducerende til oxiderende overfladeforhold over tid. Overgange er drevet af den måde, den marine fosforcyklus reagerer på ændrede iltniveauer, og hvordan dette påvirker fotosyntesen, som kræver fosfor. ”
”Vores arbejde viser, at forholdet mellem den globale fosfor-, kulstof- og iltcyklus er grundlæggende for at forstå jordens iltningshistorie. Dette kunne hjælpe os med bedre at forstå, hvordan en anden planet end vores egen kan blive beboelig, ”sagde seniorforfatter Dr. Benjamin Mills.
Så der er håb for nogle af disse eksoplaneter endnu.
Denne undersøgelse vil ikke være det sidste ord om sagen. Men det er et spændende resultat, og hvis det står op til yderligere videnskabelig undersøgelse, kan det godt have indflydelse på, hvordan vi karakteriserer de exoplaneter, vi allerede har fundet, og de tusinder mere, vi finder med TESS og andre fremtidige planetfundende teleskoper.
Mere:
- Pressemeddelelse: Indånding af nyt liv i Jordens iltdebat
- Forskningsartikel: Trinvis jordens iltning er en iboende egenskab ved global biogeokemisk cykling
- Artikel: Åndbare atmosfærer kan være mere almindelige i universet, end vi først troede
- Research Paper (2014): Stigningen af ilt i Jordens tidlige hav og atmosfære
