Een nieuwe studie suggereert dat snelle afkoeling in de aardmantel door platentektoniek een belangrijke rol speelde bij de ontwikkeling van de eerste levensvormen, wat op zijn beurt leidde tot de oxygenatie van de atmosfeer van de aarde. De studie werd gepubliceerd in het maartnummer van 2018 van: Aardse en planetaire wetenschapsbrieven .

Wetenschappers aan de Universiteit van Adelaide en Curtin University in Australië, en de Universiteit van Californië in Riverside, Californië, VS, verzamelde en analyseerde gegevens over stollingsgesteenten uit geologische en geochemische gegevensopslagplaatsen in Australië, Canada, Nieuw-Zeeland, Zweden en de Verenigde Staten. Ze ontdekten dat gedurende de 4,5 miljard jaar van de ontwikkeling van de aarde, gesteenten die rijk zijn aan fosfor, opgehoopt in de aardkorst. Vervolgens keken ze naar de relatie van deze accumulatie met die van zuurstof in de atmosfeer.

Fosfor is essentieel voor het leven zoals we dat kennen. Fosfaten, dat zijn verbindingen die fosfor en zuurstof bevatten, maken deel uit van de ruggengraat van DNA en RNA, evenals de membranen van cellen, en helpen de celgroei en -functie onder controle te houden.

Om erachter te komen hoe het fosforgehalte in de aardkorst in de loop van de tijd is toegenomen, de wetenschappers bestudeerden hoe gesteente zich vormde toen de aardmantel afkoelde. Ze voerden modellering uit om erachter te komen hoe van mantel afgeleide rotsen van samenstelling veranderden als gevolg van de langdurige afkoeling van de mantel.

Hun resultaten suggereren dat tijdens een vroege, warmere periode in de geschiedenis van de aarde - de Archaïsche periode tussen vier en 2,5 miljard jaar geleden - was er een grotere hoeveelheid gesmolten mantel. Fosfor zou in deze rotsen te verdund zijn geweest. Echter, overuren, de aarde voldoende afgekoeld, geholpen door het ontstaan ​​van platentektoniek, waarin de koudere buitenste korst van de planeet wordt teruggevoerd in de hete mantel. Met deze koeling gedeeltelijke mantel smelt werd kleiner.

Zoals Dr. Grant Cox, een aardwetenschapper aan de Universiteit van Adelaide en een co-auteur van de studie, verklaart, het resultaat is dat "fosfor zal worden geconcentreerd in een klein percentage smelt, zodat de mantel afkoelt, de hoeveelheid smelt die je extraheert is kleiner, maar die smelt zal hogere concentraties fosfor bevatten."

De rol van fosfor in de oxidatie van de aarde

De fosfor werd geconcentreerd en gekristalliseerd tot een mineraal genaamd apatiet, die een deel werden van de stollingsgesteenten die werden gecreëerd uit de afgekoelde mantel. Eventueel, deze rotsen bereikten het aardoppervlak en vormden een groot deel van de korst. Wanneer fosformineralen afkomstig van de korst worden vermengd met het water in meren, rivieren en oceanen, apatiet wordt afgebroken tot fosfaten, die beschikbaar kwamen voor de ontwikkeling en voeding van het primitieve leven.

De wetenschappers schatten de vermenging van elementen uit de aardkorst met zeewater in de loop van de tijd. Ze ontdekten dat hogere niveaus van bio-essentiële elementen parallel lopen met een grote toename van de oxygenatie van de atmosfeer van de aarde:de Great Oxidation Event (GOE) 2,4 miljard jaar geleden, en het Neoproterozoïsche zuurstofgebeurtenis, 800 miljoen jaar geleden, waarna werd aangenomen dat de zuurstofniveaus hoog genoeg waren om meercellig leven te ondersteunen.

Zelfs vóór de GOE, van ongeveer 3,5 tot 2,5 miljard jaar geleden, enkele van de vroegste levensvormen hebben mogelijk zuurstof gegenereerd door middel van fotosynthese. Echter, gedurende die tijd, het grootste deel van deze zuurstof reageerde met ijzer en zwavel in stollingsgesteenten. Om te begrijpen hoe deze reacties het zuurstofgehalte in de atmosfeer gedurende een periode van vier miljard jaar beïnvloedden, de wetenschappers maten de hoeveelheden zwavel en ijzer in stollingsgesteenten, en ontdekte hoeveel zuurstof had gereageerd. Ze vergeleken al deze gebeurtenissen met veranderingen in het zuurstofgehalte in de lucht. De wetenschappers ontdekten dat afname van zwavel en ijzer samen met toename van fosfor parallel liep met de Grote Oxidatie-gebeurtenis en de Neoproterozoïsche Zuurstofgebeurtenis.

Een explosie van leven

Al deze gebeurtenissen ondersteunen een scenario waarin de afkoeling van de aardmantel leidde tot de toename van fosforrijke rotsen in de aardkorst. Deze rotsen vermengden zich vervolgens met de oceanen, waar fosforhoudende mineralen afgebroken en uitgeloogd in het water. Toen het fosforgehalte in zeewater hoog genoeg was, primitieve levensvormen bloeiden en hun aantal nam toe, zodat ze genoeg zuurstof konden genereren dat het meeste de atmosfeer bereikte. Zuurstof bereikte niveaus die voldoende zijn om meercellig leven te ondersteunen.

Dr. Peter Cawood, een geoloog aan de Monash University in Melbourne, Australië, opmerkingen aan Astrobiology Magazinedat, "Het is intrigerend om te denken dat de [zuurstof] waarvan we voor het leven afhankelijk zijn, zijn uiteindelijke oorsprong te danken heeft aan seculiere verlagingen van de manteltemperatuur, waarvan wordt gedacht dat ze zijn afgenomen van ongeveer 1, 550 graden Celsius zo'n drie miljard jaar geleden tot ongeveer 1, 350 graden Celsius vandaag."

Zou een soortgelijk scenario zich kunnen afspelen op een mogelijke exo-aarde? Met de Kepler-ontdekkingen van een groeiend aantal mogelijk aardachtige planeten, zou een van deze het leven kunnen ondersteunen? Cawood suggereert dat de bevinding potentieel significant is voor de ontwikkeling van aëroob leven (d.w.z. leven dat zich ontwikkelt in een zuurstofrijke omgeving) op exoplaneten. "Dit is op voorwaarde dat [fosfor] in de stollingsgesteenten op het oppervlak van de planeet verwering ondergaat om zijn biologische beschikbaarheid te garanderen, "zegt Cawood. "Aanzienlijk, het fosforgehalte van stollingsgesteenten is het hoogst in die gesteenten met een laag silicagehalte [gesteenten gevormd door snelle afkoeling] en gesteenten van deze samenstelling domineren de korsten van Venus en Mars en waarschijnlijk ook op exoplaneten."

Cox besluit door te zeggen dat, "Deze relatie [tussen stijgende zuurstofniveaus en afkoeling van de mantel] heeft gevolgen voor elke aardse planeet. Alle planeten zullen afkoelen, en die met efficiënte plaattektonische convectie zullen sneller afkoelen. We moeten concluderen dat de snelheid van een dergelijke afkoeling de snelheid en het patroon van biologische evolutie op elke potentieel bewoonbare planeet kan beïnvloeden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.