Ett av de fortfarande olösta mysterierna om jordens historia är hur planeten blev syresatt och andas miljarder år sedan. Nu säger en ny studie att den skyldige kan ha varit de gigantiska stenplattorna som utgör jordens yttre skal.
När dessa så kallade plattor rörde sig i en process som kallas plattaktonik skulle de ha begravt kolrika rester av döda varelser under andra plattor när de gled under. I jordens mantel, under jordskorpan, skulle kolet inte kunna reagera med syre, vilket lämnar denna viktiga ingrediens i atmosfären, säger forskarna.
Fram till den stora syrehändelsen var planetens atmosfär en blandning av kväve, koldioxid, vattenånga och metan. Sedan, för 2,5 miljarder år sedan, började en klass med encelliga varelser använda den koldioxiden och producera syre som en avfallsprodukt. Men syre är mycket reaktivt; reaktioner med ytbergar och kol som sipprar från resterna av döda organismer skulle snabbt tappa elementet.
Begrava kol
Den nya studien av Megan Duncan och Rajdeep Dasgupta vid Rice University i Texas påstod att kolet från de döda varelserna pressades under jordskorpan, eller subducerades, för att bilda grafiter och forntida diamanter. Som sådan, sa duon, var den stora syreevenemanget delvis drivet av början av "modern" plattaktonik, där jordskorpan är uppdelad i enorma plattor som kolliderar, sprider och glider över och under varandra.
Processen var tillräckligt effektiv för att kolet inte hade tid att reagera med syre, så syre - avfallsprodukten från alla de tidiga varelserna - stannade kvar i atmosfären och samlades till nära de nivåer som vi sett idag. Resultatet: en atmosfär som är mottaglig för framtida syresugare.
"Detta arbete började med att överväga processer som händer i subduktionszoner idag," sa Duncan till Live Science. "Och sedan undrar vad som hände i de forntida subduktionszonerna."
Duncan använde en datormodell av atmosfären som visade en reaktion mellan koldioxid och vatten. När de två reagerar bildar de molekylärt syre (som består av två syreatomer) och formaldehyd (en förening som består av kol, väte och syre). Formaldehyd är inte nödvändigtvis vad levande varelser faktiskt skulle producera; Det är ett stand-in för mer komplexa organiska kolföreningar, sa Duncan.
Vanligtvis är denna reaktion balanserad; syre cykler tillbaka för att göra mer koldioxid (CO2) och vatten, vilket lämnar en atmosfär som saknar syre. Det är där plattaktoniken kommer in, sa forskarna. Enligt den nya studien drev de skitande plattorna all formaldehyd under jord och lämnade luften med mer syre. Under tiden, utan att formaldehydet skulle driva den "balanserade" kemiska reaktionen, skulle extra koldioxid kvarstå i atmosfären, vilket hjälper CO2-luftarna att frodas och producera ännu mer syre som avfall, fann forskarna i sin datormodell.
Håll kol i kol
För att kontrollera deras hypotes, använde forskarna både äldre kolmätningar i antiken skorpa och laboratorieexperiment. I vissa forntida diamanter finns det till exempel en viss mängd kol-13, en kolisotop som finns i vävnader från levande organismer. Dessa data visade att en viss mängd organiskt kol tydligt gjorde det till manteln (under jordskorpan), säger forskarna.
Nästa fråga var om kolet skulle stanna kvar. Duncan smälte ett stycke silikatglas och tillsatte grafit till det. Glaset simulerade den forntida skorpan, och grafiten representerade kolet från organismer, sa Duncan. Hon ökade sedan trycket och temperaturen och började med cirka 14 800 trycktryck och ökade det till 29 000 atmosfärer (det är cirka 435 000 pund per kvadrat tum). Resultaten visade att kol kunde upplösas i berg under de förhållanden som troligen finns i tidiga jordens mantel, säger studien. Resultatet visade också att kolet troligen skulle stanna under jordskorpan i miljoner år innan vulkaner spröt det ut igen, säger studien.
Det är inte lätt att fastställa den exakta mekanismen för Great Oxygenation Event, sa Duncan, och troligtvis innebar det flera mekanismer, inte bara en. En utmaning är tidslinjen för när subduktion började, sade hon.
"Om de moderna plattaktoniska processerna alltid har varit i aktion, fungerar detta inte," sa Duncan. Andra linjer med bevis tycks visa att den tidiga jorden kanske inte hade haft plattaktonik från början och att processen startade senare, tillade Duncan.
"Det beror också på hur mycket organiskt kol som togs bort från ytan," skrev Duncan i ett e-postmeddelande. "Hur mycket organiskt kol som gick till havsbotten (som sannolikt beror på forntida havskemi). Vi vet att det händer idag. Vi kan gå ut och mäta det. Vi ser det i forntida stenar och potentiellt i diamanter, så vi tror att organiskt kol var närvarande och subducerades under hela jordens historia. "
Problemet är att sätta exakta gränser för hur mycket och hur snabbt, sade hon.
Tim Lyons, professor i biogeokemi vid University of California Riverside, enades om att det är en utmaning att koppla denna modell till den kända skivan i stenar. "En av mina frågor är huruvida dessa data kan knytas till en robust post för underhistoria," sa Lyons.
"Det har föreslagits många mekanismer för att orsaka GOE; ingen på egen hand kan återskapa storleken på O2-ökning som observeras från posten," sade Duncan. "Det var troligtvis en kombination av många av dessa mekanismer, inklusive subduktion, som gjorde att O2-nivåerna kunde stiga och upprätthållas under resten av jordens historia."
Studien dök upp (25 april) i tidskriften Nature Geoscience.
