Under de senaste åren har en explosion av exoplanetupptäckter inträffat. Vissa av dessa världar befinner sig i det vi anser som den "bebodliga zonen", åtminstone i preliminära observationer. Men hur många av dem kommer att ha livsstödjande, syre-rika atmosfärer i samma åder som jordens?
En ny studie tyder på att andningsavstämningar kanske inte är lika sällsynta som vi trodde på planeter lika gamla som Jorden.
Jorden tog lång tid att utveckla den syresatt atmosfär som vi njuter av nu. Fram till cirka 2,4 miljarder år sedan hade vår planet mycket mindre syre i sin atmosfär och hav. Allt förändrades när en större syrehändelse ägde rum; den första av tre som formade jorden.
Trestegsmodellen för jordens syresättning är ganska allmänt förstått och accepterad, även om den inte är utan kontroverser. Modellen beskriver tre stora förskjutningar i jordens historia, varvid var och en väsentligt förändrar jordens atmosfär genom att lägga till mer syre.
De tre händelserna var:
- Den stora oxidationshändelsen inträffade för cirka 2,4 miljarder år sedan under den Paleoproterozoic era. I detta fall, biologiskt producerat syre som ackumulerats i hav och atmosfär, vilket sannolikt leder till en initial massutrotning.
- Neoproterozoic Oxygenation Event såg en dramatisk ökning av syrgasnivåerna och föregick den kambriska explosionen för cirka 540 miljoner år sedan.
- Paleozoic Oxygenation Event inträffade för cirka 400 miljoner år sedan och såg syre nå sin nuvarande nivå på cirka 21%.
Historien om jordens syresättning är komplicerad. Det var inte en linjär progression. Först producerades syre som en avfallsbiprodukt av livsformer, och mycket av det absorberades av jordskorpan. Syre är mycket reaktivt och det bildade alla möjliga föreningar med andra element och blev låst i jordskorpan. I synnerhet reagerade den med järn för att producera järnoxid i den geologiska journalen, en av våra bästa indikatorer på när syre kom in i atmosfären.
Det finns dock mycket debatt kring den här modellen. Enligt en förståelse av modellen producerade fotosyntetiska bakterier i havet mycket av det tidiga syre. Sedan kom landbaserade planeter med hundratals miljoner år senare och höjde syrenivån igen. Det finns också bevis för att plattaktonik och massiva vulkanutbrott spelade en roll.
En artikel av författarna till denna nya studie säger att denna modell innebär att en viss lycka krävs för att skapa en syrerik värld. "Om ett vulkanutbrott inte hade hänt, eller en viss typ av organismer inte hade utvecklats, så kan syre ha stannat på låga nivåer," står det.
Men det är kanske inte fallet.
Deras nya studie heter "Stegvis jordens syresättning är en inneboende egenskap av global biogeokemisk cykling" och ordet "inneboende" är nyckeln här. Författarna säger att när vi hade rätt mikrober och plattaktonik, som båda var etablerade för 3 miljarder år sedan, var det bara en tidsfråga innan vi nådde den syrenivå vi har nu. Oavsett vulkaner och landbaserade växter.
“Denna forskning testar verkligen vår förståelse för hur jorden blev syrerik och därmed kunde stödja intelligent liv.“
Lewis Alcott, huvudförfattare, Earth Surface Science Institute, Leeds University.
I stället för externa krafter var det "en uppsättning interna återkopplingar som involverar den globala fosfor-, kol- och syrecykeln" som ledde till jordens syresättning, som studien säger. I själva verket skulle dessa cykler ha "producerat samma trestegsmönster som observerats i den geologiska posten."
Det här kommer allt från dokumentet: "Vi drar slutsatsen att jordens syresättningar är helt i överensstämmelse med gradvis syresättning av planetytan efter utvecklingen av syre-fotosyntes."
Men hur kom de fram till den slutsatsen?
Forskarna kommer från Leeds University i Storbritannien. Huvudförfattare är Lewis J. Alcott, en doktorand baserad på Earth Surface Science Institute. Alcott och de andra forskarna arbetade med en väletablerad modell för marin biogeokemi och modifierade den. De sprang den modellen över hela Jordens historia och fann att den producerade de tre huvudsakliga syrehändelserna helt av sig själv.
I ett pressmeddelande sade Alcott: "Denna forskning testar verkligen vår förståelse för hur jorden blev syrerik och därmed kunde stödja intelligent liv."
Det dominerande tänkandet bakom jordens syresättningshistoria förlitar sig på ett par breda kategorier av händelser för att förklara det. Den ena är den stora evolutionära utvecklingen i livsformer som producerar syre. I grund och botten "biologiska revolutioner", där livsformer blev alltmer komplexa och skapade en syrerik miljö. Den andra kategorin är tektoniska varv: en dramatisk och speciell ökning av tektonisk aktivitet, inklusive betydande vulkanisk aktivitet, som förändrade skorpan och ledde till högre syrehalter.
Det har varit mycket debatt kring den exakta naturen hos båda dessa breda kategorier, men den här nya studien ger forskare något mer att tänka på. Istället för att förlita sig på "stegvisa" händelser som kan fastställas i den geologiska posten för att förklara syresättning, pekar den nya studien på återkopplingscykler mellan fosfor, kol och syre.
Studien antyder också att syresättning var oundviklig.
Studerande medförfattare professor Simon Poulton, också från School of Earth and Environment at Leeds, sa: ”Vår modell antyder att syresättning av jorden till en nivå som kan upprätthålla komplexa liv var oundviklig när mikroberna som producerar syre hade utvecklats. ”
Kärnan i denna nya modell är den marina fosforcykeln. Deras modell producerade samma trestegs syresättningsmodell som jorden upplevde ”när de endast drivs av en gradvis övergång från att reducera till oxiderande ytförhållanden över tid. Övergångarna drivs av hur den marina fosforcykeln reagerar på förändrade syrehalter och hur detta påverkar fotosyntesen, som kräver fosfor. ”
”Vårt arbete visar att förhållandet mellan den globala fosfor-, kol- och syrecykeln är grundläggande för att förstå jordens syresyrningshistoria. Detta kan hjälpa oss att bättre förstå hur en annan planet än vår egen kan bli beboelig, säger seniorförfattaren Dr. Benjamin Mills.
Så det finns hopp för några av dessa exoplaneter än.
Denna studie kommer inte att vara det sista ordet i frågan. Men det är ett spännande resultat, och om det står för ytterligare vetenskaplig granskning kan det mycket väl påverka hur vi karaktäriserar de exoplaneter som vi hittat redan, och de tusentals fler vi kommer att hitta med TESS och andra framtida planterande teleskop.
Mer:
- Pressmeddelande: Andas nytt liv i jordens syredebatt
- Forskningsdokument: Stegvis jordens syresättning är en inneboende egenskap för global biogeokemisk cykling
- Artikel: Andningsbara atmosfärer kan vara vanligare i universum än vi först trodde
- Research Paper (2014): Ökningen av syre i jordens tidiga hav och atmosfär
