Et af de stadig uopløste mysterier om Jordens historie er, hvordan planeten blev iltet og åndbar, for milliarder af år siden. Nu siger en ny undersøgelse, at den skyldige kan have været de gigantiske klippeplater, der udgør jordens ydre skal.
Da disse såkaldte plader flyttede sig, ville de i en proces, der kaldes pladetektonik, have begravet kulstofrige rester af døde væsener under andre plader, da de gled under. I jordens mantel under jordskorpen ville kulstof ikke være i stand til at reagere med ilt, hvilket efterlader denne vigtige ingrediens i atmosfæren, sagde forskerne.
Indtil den store iltgeneration var planetens atmosfære en blanding af nitrogen, kuldioxid, vanddamp og metan. Derefter, for 2,5 milliarder år siden, begyndte en klasse af encellede væsener at bruge det kuldioxid og producere ilt som et affaldsprodukt. Men ilt er meget reaktivt; reaktioner med overfladebergarter og kulstof, der siver ud fra resterne af døde organismer, vil hurtigt udtømme elementet.
Begrave kulstof
Den nye undersøgelse af Megan Duncan og Rajdeep Dasgupta ved Rice University i Texas antydede, at kulstoffet fra de døde væsener blev skubbet ind under jordskorpen eller subduceret for at danne grafitter og gamle diamanter. Som sådan, sagde duoen, blev den store oksygenbegivenhed til dels drevet af starten af "moderne" pladetektonik, hvor jordskorpen er opdelt i enorme plader, der kolliderer, skyder og glider over og under hinanden.
Processen var effektiv nok til, at kulstoffet ikke havde tid til at reagere med iltet, så iltet - affaldsproduktet fra alle de tidlige skabninger - forblev i atmosfæren og akkumulerede til næsten de niveauer, der blev set i dag. Resultatet: en atmosfære, der er modtagelig for fremtidige iltindånding.
"Dette arbejde startede med at overveje processer, der sker i subduktionszoner i dag," fortalte Duncan til Live Science. "Og så spekulerer på hvad der skete i de gamle subduktionszoner."
Duncan brugte en computermodel af atmosfæren, der viste en reaktion mellem kuldioxid og vand. Når de to reagerer, danner de molekylært ilt (bestående af to iltatomer) og formaldehyd (en forbindelse bestående af kulstof, brint og ilt). Formaldehydet er ikke nødvendigvis, hvad levende væsener rent faktisk ville producere; Det er et stand-in for mere komplekse organiske kulstofforbindelser, sagde Duncan.
Normalt er denne reaktion afbalanceret; iltet cykliserer tilbage for at skabe mere kuldioxid (CO2) og vand, hvilket efterlader en atmosfære uden ilt. Det er her pladetektonikken kommer ind, sagde forskerne. I henhold til den nye undersøgelse skubbede jostlingpladerne al formaldehyd under jorden og efterlod luften med mere ilt. I mellemtiden, uden at formaldehydet kørte den "afbalancerede" kemiske reaktion, ville ekstra CO2 forblive i atmosfæren, hvilket hjælper CO2-indånderne med at trives og producere endnu mere ilt som affald, fandt forskerne i deres computermodel.
Hold kul i skak
For at kontrollere deres hypotese brugte forskerne både ældre kulstofmålinger i den gamle skorpe og laboratorieeksperimenter. I nogle gamle diamanter findes der for eksempel en vis mængde carbon-13, en kulstofisotop i væv fra levende organismer. Disse data viste, at en vis mængde organisk kulstof klart gjorde det ind i mantlen (under jordskorpen), sagde forskerne.
Det næste spørgsmål var, om kulstoffet ville forblive der. Duncan smeltede et stykke silikatglas og føjede grafit til det. Glaset simulerede den gamle skorpe, og grafitten repræsenterede kulstof fra organismer, sagde Duncan. Derefter øgede hun trykket og temperaturen og startede med ca. 14.800 atmosfæres tryk og øgede det til 29.000 atmosfærer (det er ca. 435.000 pund pr. Kvadrat tomme). Resultaterne viste, at kulstof kunne opløses i sten under de forhold, der sandsynligvis findes i den tidlige Jordmantel, siger undersøgelsen. Resultatet viste også, at kulstof sandsynligvis ville forblive under skorpen i millioner af år, før vulkaner sprang det ud igen, siger undersøgelsen.
Det er ikke nemt at fastlægge den nøjagtige mekanisme for den store iltgeneration, sagde Duncan, og sandsynligvis involverede det flere mekanismer, ikke kun en. En udfordring er tidslinjen for, hvor subduktion startede, sagde hun.
"Hvis de moderne pladetektoniske processer altid har været i funktion, fungerer dette ikke," sagde Duncan. Andre bevislinjer synes at vise, at den tidlige jord muligvis ikke havde haft pladetektonik oprindeligt, og at processen startede senere, tilføjede Duncan.
"Det afhænger også af, hvor meget organisk kulstof der blev fjernet fra overfladen," skrev Duncan i en e-mail. "Hvor meget organisk kulstof det fik til havbunden (hvilket sandsynligvis afhænger af den gamle havkemi). Vi ved, at det sker i dag. Vi kan gå ud og måle det. Vi ser det i gamle klipper og potentielt i diamanter, så vi mener, at organisk kulstof var til stede og subduceret gennem hele Jordens historie. "
Problemet er at sætte nøjagtige grænser for hvor meget og hvor hurtigt, sagde hun.
Tim Lyons, professor i biogeokemi ved University of California Riverside, var enig i, at det er en udfordring at knytte denne model til den kendte rekord i klipper. "Et af mine spørgsmål er, om disse data kan knyttes til en robust fortegnelse over subduktionens historie," sagde Lyons.
"Der er blevet foreslået mange mekanismer, der forårsager GOE; ingen på egen hånd kan skabe omfanget af O2-stigning, der observeres fra posten," sagde Duncan. "Det var sandsynligvis en kombination af mange af disse mekanismer, herunder subduktion, der gjorde det muligt for O2-niveauer at stige og opretholdes i resten af Jordens historie."
Undersøgelsen blev vist (25. april) i tidsskriftet Nature Geoscience.
