Petrologen van Rice University die hete, hogedrukomstandigheden vanaf 60 mijl onder het aardoppervlak hebben een nieuwe aanwijzing gevonden over een cruciale gebeurtenis in het diepe verleden van de planeet.

Hun studie beschrijft hoe gefossiliseerde koolstof - de overblijfselen van de vroegste eencellige wezens van de aarde - had kunnen worden ondergebracht en diep in het binnenste van de aarde opgesloten, beginnend ongeveer 2,4 miljard jaar geleden - een tijd waarin de atmosferische zuurstof dramatisch steeg. De krant verschijnt deze week online in het journaal Natuur Geowetenschappen .

"Het is een interessant concept, maar om het complexe leven te laten evolueren, de vroegste vorm van leven moest diep in de aardmantel worden begraven, " zei Rajdeep Dasgupta, een professor in de aardwetenschappen aan Rice. "Het mechanisme voor die begrafenis bestaat uit twee delen. Ten eerste, je hebt een vorm van platentektoniek nodig, een mechanisme om de koolstofresten van vroege levensvormen terug naar de aarde te brengen. Tweede, je hebt de juiste geochemie nodig, zodat organische koolstof diep in het binnenste van de aarde kan worden getransporteerd en daardoor voor een lange tijd uit de oppervlakte kan worden verwijderd."

Het gaat om de oorzaak van de "grote oxidatiegebeurtenis, " een steile toename van zuurstof in de lucht die goed is gedocumenteerd in talloze oude rotsen. Het evenement is zo bekend bij geologen dat ze het vaak eenvoudigweg de "GOE" noemen. Maar ondanks deze bekendheid, er is geen wetenschappelijke consensus over de oorzaak van de GOE. Bijvoorbeeld, wetenschappers kennen het vroegst bekende leven op aarde, eencellige cyanobacteriën, haalde kooldioxide uit de atmosfeer en liet zuurstof vrij. Maar het verschijnen van het vroege leven is steeds verder in het verleden geduwd met recente fossiele ontdekkingen, en wetenschappers weten nu dat cyanobacteriën minstens 500 miljoen jaar vóór de GOE wijdverspreid waren.

"Cyanobacteriën hebben mogelijk een rol gespeeld, maar de GOE was zo dramatisch - de zuurstofconcentratie nam met maar liefst 10 toe, 000 keer - dat cyanobacteriën op zichzelf niet de oorzaak konden zijn, " zei hoofdco-auteur Megan Duncan, die het onderzoek voor haar Ph.D. proefschrift bij Rijst. "Er moet ook een mechanisme zijn om een ​​aanzienlijke hoeveelheid gereduceerde koolstof uit de biosfeer te verwijderen, en daardoor de relatieve zuurstofconcentratie in het systeem verschuiven, " ze zei.

Het verwijderen van koolstof zonder zuurstof te verwijderen vereist speciale omstandigheden omdat de twee elementen de neiging hebben om met elkaar te binden. Ze vormen een van de belangrijkste componenten van de atmosfeer - koolstofdioxide - evenals alle soorten carbonaatgesteenten.

Dasgupta en Duncan ontdekten dat de chemische samenstelling van de "silicaatsmelt" - subductie van korstgesteente dat smelt en door vulkaanuitbarstingen weer naar de oppervlakte stijgt - een cruciale rol speelt bij het bepalen of gefossiliseerde organische koolstof, of grafiet, zinkt in de mantel of komt door vulkanisme terug naar de oppervlakte.

Duncan, nu een onderzoekswetenschapper aan de Carnegie Institution in Washington, gelijkstroom, zei dat de studie de eerste is die het grafiet-dragende vermogen van een type smelt dat bekend staat als rhyoliet, onderzoekt, die gewoonlijk diep in de mantel wordt geproduceerd en aanzienlijke hoeveelheden koolstof naar de vulkanen transporteert. Ze zei dat het grafietdragende vermogen van rhyolitisch gesteente cruciaal is, want als grafiet de neiging heeft om terug naar de oppervlakte te liften via extractie van rhyolitische smelt, het zou niet in voldoende hoeveelheden zijn begraven om rekening te houden met de GOE.

"Silicaatsamenstelling speelt een belangrijke rol, " zei ze. "Wetenschappers hebben eerder gekeken naar koolstofdragende capaciteiten in composities die veel meer magnesiumrijk en siliciumarm waren. Maar de samenstellingen van deze rhyolitische smelten bevatten veel silicium en aluminium en bevatten heel weinig calcium, magnesium en ijzer. Dat is belangrijk omdat calcium en magnesium kationen zijn, en ze veranderen de hoeveelheid koolstof die je kunt oplossen."

Dasgupta en Duncan ontdekten dat rhyolitische smelten heel weinig grafiet konden oplossen, zelfs als het erg heet is.

"Dat was een van onze drijfveren, " zei Dasgupta, hoogleraar Aardwetenschappen. "Als subductiezones in het verleden erg heet waren en een aanzienlijke hoeveelheid smelt produceerden, kunnen ze organische koolstof volledig destabiliseren en terug naar de oppervlakte brengen?

"Wat we lieten zien was dat zelfs bij zeer, zeer hoge temperaturen, niet veel van deze grafietkool lost op in de smelt, "zei hij. "Dus ook al is de temperatuur hoog en je produceert veel smelt, deze organische koolstof is niet erg oplosbaar in die smelt, en de koolstof wordt daardoor in de mantel begraven.

"Wat netjes is, is dat met het begin en het verwachte tempo van het begraven van de aardkorst in de diepe mantel, beginnend net voor de GOE, en met onze experimentele gegevens over de efficiëntie van diepe begraving van gereduceerde koolstof, we zouden de verwachte stijging van zuurstof in de lucht over de GOE kunnen modelleren, ' zei Dasgupta.

Het onderzoek ondersteunt de bevindingen van een artikel uit 2016 van collega Rice-petroloog Cin-Ty Lee en collega's die suggereerden dat platentektoniek, continentvorming en het verschijnen van het vroege leven waren sleutelfactoren in de ontwikkeling van een zuurstofrijke atmosfeer op aarde.

Duncan, die zich steeds meer richt op exoplanetaire systemen, zei dat het onderzoek belangrijke aanwijzingen kan geven over waar wetenschappers op moeten letten bij het evalueren van welke exoplaneten het leven kunnen ondersteunen.