Et av de fortsatt uløste mysteriene om jordas historie er hvordan planeten ble oksygenrådig og pustende for milliarder av år siden. Nå sier en ny studie den skyldige kan ha vært de gigantiske bergplatene som utgjør jordas ytre skall.
Da disse såkalte platene beveget seg, i en prosess som ble kalt platetektonikk, ville de ha begravet karbonrike rester av døde skapninger under andre plater når de skled under. I jordens mantel, under jordskorpen, ville ikke karbonet kunne reagere med oksygen, og etterlate denne viktige ingrediensen i atmosfæren, sa forskerne.
Fram til den store oksygenasjonshendelsen var planetens atmosfære en blanding av nitrogen, karbondioksid, vanndamp og metan. Så, for 2,5 milliarder år siden, begynte en klasse med encellede skapninger å bruke det karbondioksid og produsere oksygen som et avfallsprodukt. Men oksygen er svært reaktiv; reaksjoner med overflatebergarter og karbon som siver fra restene av døde organismer, vil raskt tømme elementet.
Begrave karbon
Den nye studien av Megan Duncan og Rajdeep Dasgupta ved Rice University i Texas antydet at karbonet fra de døde skapningene ble presset under jordskorpen, eller underdrevet, for å danne grafitter og gamle diamanter. Som sådan, sa duoen, ble den store oksygenasjonshendelsen til dels drevet av starten på "moderne" platetektonikk, der jordskorpen er delt inn i enorme plater som kolliderer, spretter og glir over og under hverandre.
Prosessen var effektiv nok til at karbonet ikke hadde tid til å reagere med oksygenet, så oksygenet - avfallsproduktet fra alle de tidlige skapningene - holdt seg i atmosfæren og akkumulerte seg til nær nivåene som ble sett i dag. Resultatet: en atmosfære som er mottagelig for fremtidige oksygeninnåndinger.
"Dette arbeidet startet med å vurdere prosesser som skjer i subduksjonssoner i dag," sa Duncan til Live Science. "Og så lurer på hva som skjedde i de gamle subduksjonssonene."
Duncan brukte en datamaskinmodell av atmosfæren som viste en reaksjon mellom karbondioksid og vann. Når de to reagerer, lager de molekylært oksygen (som består av to oksygenatomer) og formaldehyd (en forbindelse som består av karbon, hydrogen og oksygen). Formaldehydet er ikke nødvendigvis hva levende vesener faktisk ville produsere; Det er en stand-in for mer komplekse organiske karbonforbindelser, sa Duncan.
Vanligvis er den reaksjonen balansert; oksygenet kretser tilbake for å lage mer karbondioksid (CO2) og vann, og etterlater en atmosfære blottet for oksygen. Det er her platetektonikken kommer inn, sa forskerne. I følge den nye studien presset jostlingplatene all formaldehyd under jorden, og etterlot luften med mer oksygen. I mellomtiden, uten at formaldehydet kjørte den "balanserte" kjemiske reaksjonen, ville ekstra CO2 forbli i atmosfæren, noe som hjelper CO2-pustene til å trives og produsere enda mer oksygen som avfall, fant forskerne i datamaskinmodellen.
Hold karbon i sjakk
For å sjekke hypotesen deres, brukte forskerne både eldre målinger av karbon i den gamle skorpen og laboratorieeksperimenter. I noen eldgamle diamanter, for eksempel, er det en viss mengde karbon-13, en karbonisotop som finnes i vev fra levende organismer. Disse dataene viste at en viss mengde organisk karbon tydelig gjorde at den gikk inn i mantelen (under jordskorpen), sa forskerne.
Neste spørsmål var om karbonet ville bli der. Duncan smeltet et stykke silikatglass og la grafitt til det. Glasset simulerte den gamle skorpen, og grafitten representerte karbonet fra organismer, sa Duncan. Deretter økte hun trykket og temperaturen, og startet på rundt 14 800 atmosfæres trykk og økte det til 29 000 atmosfærer (det vil si 435 000 pund per kvadrat tomme). Resultatene viste at karbon kunne oppløses i berg under de forhold som sannsynligvis er til stede i den tidlige jordens mantel, heter det i studien. Resultatet viste også at karbonet sannsynligvis ville holde seg under jordskorpen i millioner av år før vulkaner sprengte det ut igjen, heter det i studien.
Det er ikke lett å slå den nøyaktige mekanismen for den store oksygenasjonshendelsen, sa Duncan, og sannsynligvis innebar det flere mekanismer, ikke bare en. En utfordring er tidslinjen for da subduksjon startet, sa hun.
"Hvis de moderne platetektoniske prosessene alltid har vært i aksjon, fungerer ikke dette," sa Duncan. Andre bevislinjer ser ut til å vise at den tidlige jorden kanskje ikke hadde hatt platetektonikk i utgangspunktet, og at prosessen startet senere, la Duncan til.
"Det avhenger også av hvor mye organisk karbon som ble fjernet fra overflaten," skrev Duncan i en e-post. "Hvor mye organisk karbon som ble gjort til havbunnen (som sannsynligvis avhenger av gammel havkjemi). Vi vet at det skjer i dag. Vi kan gå ut og måle det. Vi ser det i eldgamle bergarter, og potensielt i diamantene, så vi tror at organisk karbon var til stede og subduktert gjennom hele Jordas historie. "
Problemet er å sette eksakte grenser for hvor mye og hvor raskt, sa hun.
Tim Lyons, professor i biogeokjemi ved University of California Riverside, var enig i at det å koble denne modellen til den kjente rekorden i bergarter er en utfordring. "Et av spørsmålene mine er om disse dataene kan knyttes til en solid post for historien om subduksjon," sa Lyons.
"Det har blitt foreslått mange mekanismer for å forårsake GOE; ingen på egen hånd kan gjenopprette størrelsen på O2-økningen som er observert fra posten," sa Duncan. "Det var sannsynligvis en kombinasjon av mange av disse mekanismene, inkludert subduksjon, som gjorde at O2-nivåer kunne stige og opprettholdes for resten av jordas historie."
Studien dukket opp (25. april) i tidsskriftet Nature Geoscience.
