Пригодная для дыхания атмосфера Земли является ключом к жизни, и новое исследование предполагает, что первый выброс кислорода был вызван волной вулканических извержений, вызванных тектоникой.
Исследование, проведенное геологами из Университета Райса, предлагает новую теорию, помогающую объяснить появление значительных концентраций кислорода в атмосфере Земли около 2,5 миллиардов лет назад, то, что ученые называют Великим событием окисления (ВОК). Исследование опубликовано на этой неделе в журнале Nature Geoscience..
«Уникальным это делает то, что это не просто попытка объяснить повышение уровня кислорода», - сказал ведущий автор исследования Джеймс Эгучи, научный сотрудник НАСА в Калифорнийском университете в Риверсайде, который руководил работой для своей докторской диссертации. Д. диссертация в Райс. «Мы также пытаемся объяснить некоторую тесно связанную геохимию поверхности, изменение состава изотопов углерода, которое наблюдается в записи карбонатных пород через относительно короткое время после события окисления. Мы пытаемся объяснить каждый из них с помощью одного механизма. это связано с глубокими недрами Земли, тектоникой и усиленной дегазацией углекислого газа из вулканов».
Соавторы Эгути - Радждип Дасгупта, геохимик-экспериментатор и теоретик, профессор кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах Райс, и Джонни Силз, аспирант Райс, который помог с модельными расчетами, подтвердившими новую теорию..
Ученые уже давно указывали на фотосинтез - процесс, который производит отработанный кислород - как на вероятный источник повышенного содержания кислорода во время GOE. Дасгупта сказал, что новая теория не сбрасывает со счетов ту роль, которую первые фотосинтезирующие организмы, цианобактерии, сыграли в GOE.
«Большинство людей думают, что повышение уровня кислорода связано с цианобактериями, и они не ошибаются», - сказал он. «Появление фотосинтезирующих организмов может высвобождать кислород. Но самый важный вопрос заключается в том, совпадает ли время этого появления с временем Великого события окисления. Как оказалось, нет».
Цианобактерии жили на Земле за 500 миллионов лет до GOE. Хотя был предложен ряд теорий, объясняющих, почему кислороду потребовалось так много времени, чтобы появиться в атмосфере, Дасгупта сказал, что он не знает ни одной, которая одновременно пыталась бы объяснить заметное изменение соотношения изотопов углерода в карбонате. полезных ископаемых, которые начались примерно через 100 миллионов лет после GOE. Геологи называют это событием Ломагунди, и оно длилось несколько сотен миллионов лет.
Один из ста атомов углерода - это изотоп углерод-13, а остальные 99 - углерод-12. Это соотношение 1 к 99 хорошо задокументировано в карбонатах, которые образовались до и после Ломагунди, но те, которые образовались во время этого события, содержат примерно на 10% больше углерода-13.
Эгучи сказал, что взрыв цианобактерий, связанный с GOE, уже давно рассматривается как играющий роль в Ломагунди.
«Цианобактерии предпочитают поглощать углерод-12, а не углерод-13», - сказал он. «Поэтому, когда вы начинаете производить больше органического углерода или цианобактерий, резервуар, из которого производятся карбонаты, истощается по углероду-12».
Эгучи сказал, что люди пытались использовать это, чтобы объяснить Ломагунди, но время снова было проблемой.
«Если вы действительно посмотрите на геологические данные, то увидите, что увеличение отношения углерода-13 к углероду-12 на самом деле происходит вплоть до 10-ти миллионов лет после повышения содержания кислорода», - сказал он.«Тогда становится трудно объяснить эти два события изменением соотношения органического углерода и карбоната».
Сценарий, к которому пришли Эгучи, Дасгупта и Силз, чтобы объяснить все эти факторы, таков:
- Резкий рост тектонической активности привел к образованию сотен вулканов, выбрасывавших в атмосферу углекислый газ.
- Климат потеплел, количество осадков увеличилось, что, в свою очередь, увеличило «выветривание», химическое разрушение скалистых минералов на бесплодных континентах Земли.
- Выветривание породило богатый минералами сток, который хлынул в океаны, поддерживая бум как цианобактерий, так и карбонатов.
- Органический и неорганический углерод из них попал на морское дно и в конечном итоге был переработан обратно в мантию Земли в зонах субдукции, где океанические плиты затягиваются под континенты.
- Когда отложения переплавлялись в мантию, неорганический углерод, содержащийся в карбонатах, высвобождался раньше, повторно попадая в атмосферу через дуговые вулканы прямо над зонами субдукции.
- Органический углерод, который содержал очень мало углерода-13, был втянут глубоко в мантию и образовался сотни миллионов лет спустя в виде углекислого газа из островных горячих вулканов, таких как Гавайи.
"Это своего рода большой циклический процесс", - сказал Эгучи. «Мы действительно думаем, что количество цианобактерий увеличилось около 2,4 миллиарда лет назад. Так что это привело бы к увеличению нашего кислорода. Но увеличение цианобактерий уравновешивается увеличением карбонатов. Так что отношение углерода-12 к углероду-13 не Они меняются до тех пор, пока и карбонаты, и органический углерод из цианобактерий не погружаются глубоко в Землю. Когда это происходит, в игру вступает геохимия, заставляющая эти две формы углерода находиться в мантии в течение разных периодов времени. легко высвобождаются в магмах и высвобождаются обратно на поверхность за очень короткий период. Ломагунди начинается, когда первый обогащенный углеродом-13 углерод из карбонатов возвращается на поверхность, и заканчивается, когда обогащенный углеродом-12 органический углерод возвращается гораздо позже, восстанавливая соотношение."
Эгути сказал, что исследование подчеркивает важность той роли, которую глубинные земные процессы могут играть в эволюции жизни на поверхности.
«Мы предполагаем, что выбросы углекислого газа были очень важны для распространения жизни», - сказал он. «Это действительно попытка понять, как эти более глубокие процессы влияли на жизнь на поверхности нашей планеты в прошлом».
Дасгупта также является главным исследователем проекта CLEVER Planets, финансируемого НАСА, который изучает, как жизненно важные элементы могут собираться вместе на далеких экзопланетах. Он сказал, что лучшее понимание того, как Земля стала пригодной для жизни, важно для изучения обитаемости и ее эволюции в отдаленных мирах.
«Похоже, история Земли требует, чтобы тектоника играла большую роль в обитаемости, но это не обязательно означает, что тектоника абсолютно необходима для накопления кислорода», - сказал он. «Могут быть другие способы создания и поддержания кислорода, и изучение их - одна из задач, которые мы пытаемся сделать в CLEVER Planets."