Voor onderzoekers die de oorspronkelijke geschiedenis van zuurstof in de atmosfeer van de aarde nastreven, een nieuwe studie kan wat "Eureka!" momenten. Een eigentijds hulpmiddel dat wordt gebruikt om zuurstof te traceren door oude gesteentelagen te onderzoeken, kan valse positieven opleveren, volgens de studie, en de eigenzinnige resultaten kunnen verhullen als opwindende ontdekkingen.

Gemeenschappelijke moleculen die liganden worden genoemd, kunnen de resultaten beïnvloeden van een populaire chemische tracer, het chroom (Cr) isotoopsysteem, die wordt gebruikt om sedimentaire gesteentelagen te testen op aanwijzingen over het zuurstofgehalte in de lucht tijdens het tijdperk waarin het gesteente werd gevormd. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben in het laboratorium aangetoond dat veel liganden een signaal kunnen creëren dat erg lijkt op dat van moleculaire zuurstof.

"Er zijn enkele geografische locaties en oude situaties waar meetbare signalen konden worden gegenereerd die niets te maken hadden met hoeveel zuurstof er in de buurt was, " zei Chris Reinhard, een van de hoofdauteurs van het onderzoek. Hoewel het nieuwe onderzoek van invloed kan zijn op de manier waarop sommige recente bevindingen worden beoordeeld, dat betekent niet dat de tool in het algemeen niet nuttig is.

Rock record tool

"We proberen niet een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop de tool wordt bekeken, " zei Yuanzhi Tang, die de studie mede leidde. "Dit gaat over het begrijpen van de mogelijke beperkingen om er in bepaalde gevallen kritisch gebruik van te maken."

Tang en Reinhard, beide assistent-professoren biogeochemie in Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences, publiceerden de resultaten van hun team in een studie op 17 november, 2017, in het journaal Natuurcommunicatie . Hun werk werd gefinancierd door het NASA Astrobiology Institute, het NASA Exobiology-programma, en het Agouron Instituut.

"Op mondiaal niveau het chroomisotoopsysteem is door de eeuwen heen nog steeds een goede indicator voor het zuurstofgehalte in de lucht, Tang zei. "Het probleem dat we in het laboratorium hebben blootgelegd, is meer lokaal met geïsoleerde monsters, vooral in tijden waarin er niet veel zuurstof in de lucht was."

Springende liganden

Zonder een dominante aanwezigheid van zuurstof, liganden waren waarschijnlijk een geweldig reactief substituut, zoals de onderzoekers aantoonden in reacties met chroom. Zoals zuurstof, liganden trekken sterk elektronenparen aan, dat is wat hen kenmerkt als een chemische groep.

En zoals reacties met zuurstof, reacties met liganden zorgen ervoor dat metalen zoals chroom gemakkelijker in de wereld kunnen bewegen. In dit geval, de onderzoekers waren geïnteresseerd in organische liganden, liganden die koolstof bevatten.

Ze waren meer geneigd om het mobiliteitseffect van zuurstof op chroom te evenaren, waardoor het eindigde als de signalen in sedimentair gesteente dat wetenschappers, vandaag, zoek naar een teken van oude atmosferische zuurstof.

Hier is ongeveer hoe het chroomisotoopsysteem werkt, gevolgd door hoe organische liganden voor valse positieven kunnen zorgen.

Chroom achtbaan

De aarde is een enorm chemisch laboratorium dat reacties uitvoert in omstandigheden variërend van arctische kou tot vulkanische hitte, en van verpletterende oceaandiepten tot hogere atmosfeer zonder druk. Winden en golven zwiepen rond materialen zoals turbulente transportbanden, wat afzetten in sedimenten die later in steen veranderen.

Chromium's ticket voor de achtbaanrit in sedimentair gesteente was meestal een oxidatiemiddel dat het beter oplosbaar maakte en beter in staat om te drijven, en atmosferische zuurstof was een ideale oxidator. De chemische reactie, die in de studie kan worden gevonden en waarbij mangaanoxide zuurstof afgeeft aan chroom, zou een beetje zijn als het toevoegen van pontons aan chroomverbindingen.

Al miljarden jaren, De atmosfeer van de aarde was bijna verstoken van O2, maar nadat de zuurstof begon toe te nemen, vooral in de laatste 800 miljoen jaar, het werd de dominante oxidator. En kenmerken van chroomafzettingen in oude gesteentelagen werden een goede indicator van hoeveel O2 in de atmosfeer was.

Vandaag, onderzoekers testen diepe gesteentelaagmonsters op de relatie tussen twee chroomisotopen, 52Cr, verreweg de meest voorkomende Cr-isotoop, en 53Cr, om inzicht te krijgen in de aanwezigheid van zuurstof in geologische tijdperken.

"Je poedert het gesteente op, je lost het op met zuur, en dan meet je de verhouding van 53Cr tot 52Cr in het materiaal met behulp van massaspectrometrie, " zei Reinhard. "Het is de verhouding die telt, en het zal worden gecontroleerd door een reeks complexe processen, maar in het algemeen gesproken, verhoogde 53Cr in oceaansedimentgesteente heeft de neiging om zuurstof in de atmosfeer aan te geven."

Trouwens, deze Cr-isotopen zijn stabiel en ondergaan geen radioactief verval, dus het systeem werkt niet zoals radiokoolstofdatering, die berust op het verval van koolstof 14.

Chemische bedrieger

In het labortorium, met een klein assortiment organische liganden, De groep van Tang toonde aan dat reacties van chroom met liganden leidden tot 53Cr/52Cr-signalen die de signalen van zuurstof-chroomreacties nauw nabootsten.

"Liganden kunnen ook chroom mobiliseren, " zei Tang. "In feite, liganden kunnen een belangrijke factor zijn bij het beheersen van chroomisotoopsignalen in bepaalde gesteenterecords."

Organische liganden waren er waarschijnlijk al lang voordat de aardatmosfeer zich vulde met O2. En vandaag, honderden miljoenen jaren nadat de reacties plaatsvonden, het is eigenlijk onmogelijk om erachter te komen of zuurstof of liganden aan het werk waren.

Kleine verschillen

Als er geen rekening wordt gehouden, ligandreacties kunnen kleine details in gesteenterecords over zuurstof in de lucht vervormen, en misschien hebben ze dat al.

Net als paleontologen, die oude dierenbotten en andere fossielen catalogiseren, geologen houden massaal, gedigitaliseerde archieven van gesteente die ze bestuderen om meer te weten te komen over de oude geologische geschiedenis van de aarde. Wetenschappers begonnen rond 2009 met het testen van fysieke monsters met het Cr-isotoopsysteem en voegden de resultaten toe aan de records.

"Vanaf dat moment, er zijn enkele discrepanties opgedoken, " Zei Reinhard. "Oude bodemlagen vertoonden tekenen van zuurstof terwijl het er waarschijnlijk niet had moeten zijn. Andere monsters uit dezelfde periode vertoonden dat signaal niet."

Maar sommige onderzoekers die met vreemde Cr-signalen werden geconfronteerd, dachten dat ze misschien op een radicale vondst waren gestuit, en ze ontwikkelden verklaringen voor hoe O2 verrassend overvloedig kan zijn geweest op de eenzame plek waar een bepaalde rotslaag werd gevormd, terwijl moleculaire zuurstof schaars was op de rest van de wereld. Anderen verbaasden zich erover dat de atmosferische O2-niveaus mogelijk veel eerder zijn gestegen dan overweldigend breed bewijs heeft aangegeven.

"Veel daarvan kan worden toegeschreven aan andere chemische processen en niet aan interacties met zuurstof, ' zei Reinhard.

De studie kan dienen als een waarschuwend verhaal over het bekijken van Cr-isotoopgegevens, vooral als ze van de pagina springen.