science >> Wetenschap >  >> Natuur

Lachgas heeft misschien geholpen om de vroege aarde te verwarmen en leven te geven

Dit tijgeroog BIF-gesteente (banded iron Formation) vertoont ijzerlagen die als verbindingen uit de oceanische oplossing zijn neergedaald. Voordat zuurstof overvloediger werd, de oceanen waren waarschijnlijk vol met ijzer dat lachgas had kunnen maken dat de vroege atmosfeer van de aarde binnendrong om het warm te houden. Krediet:Georgia Tech / Allison Carter

Meer dan een eon geleden, de zon scheen zwakker dan vandaag, maar de aarde bleef warm door een sterk broeikaseffect, geowetenschappelijke theorie geldt. Astronoom Carl Sagan bedacht dit "de zwakke jonge zonneparadox, "en decennia lang onderzoekers hebben gezocht naar de juiste balans van atmosferische gassen die de vroege aarde gezellig hadden kunnen houden.

Een nieuwe studie onder leiding van het Georgia Institute of Technology suggereert dat lachgas, bekend om zijn gebruik als het tandverdovingsmiddel lachgas, een belangrijke rol kan hebben gespeeld.

Het onderzoeksteam voerde experimenten en atmosferische computermodellering uit die tot in detail een bestaande hypothese over de aanwezigheid van lachgas (N2O) onderbouwden, een krachtig broeikasgas, in de oude atmosfeer. Gevestigd onderzoek heeft al gewezen op hoge niveaus van kooldioxide en methaan, maar ze waren misschien niet overvloedig genoeg om de aarde voldoende warm te houden zonder de hulp van N2O.

Jennifer Glas, een assistent-professor aan Georgia Tech, en Chloë Stanton, voorheen een niet-gegradueerde onderzoeksassistent in het Glass-lab van Georgia Tech, publiceerde de studie in het tijdschrift Geobiologie de week van 20 augustus 2018. Hun werk werd gefinancierd door het NASA Astrobiology Institute. Stanton is nu een afgestudeerde onderzoeksassistent aan de Pennsylvania State University.

Jennifer Glass in haar lab bij Georgia Tech. Ze houdt een stromatolitische ijzersteen vast, die zich vormden terwijl ijzer oxideerde en oceaanwater verliet. En eon geleden, oceaanijzer was hoog en had kunnen helpen bij het creëren van lachgas dat de vroege aarde mogelijk warm heeft gehouden. Krediet:Georgia Tech / Allison Carter

Geen 'saai miljard'

De studie richtte zich op het midden van de Proterozoïcum Eon, meer dan een miljard jaar geleden. De proliferatie van complex leven duurde nog een paar honderd miljoen jaar, en het tempo van de evolutie van onze planeet leek waarschijnlijk bedrieglijk traag.

"Mensen in ons vakgebied verwijzen vaak naar dit middelste hoofdstuk in de geschiedenis van de aarde, ongeveer 1,8 tot 0,8 miljard jaar geleden, als de 'saaie miljard', omdat we het klassiek beschouwen als een zeer stabiele periode, " zei Stanton, de eerste auteur van de studie. "Maar er waren in die tijd veel belangrijke processen die de chemie van de oceaan en de atmosfeer beïnvloedden."

De chemie in het midden van de Proterozoïsche oceaan werd sterk beïnvloed door overvloedig oplosbaar ferro-ijzer (Fe2+) in zuurstofvrije diepe wateren.

Deze gestegen zeebodem is rood als roest. Terwijl zuurstof zich ophoopte in het water, ijzer roest uit de oplossing. Toen het overvloedig was in de oceaan, de krachtige chemische reactant die de productie van N2O (lachgas) had kunnen vergemakkelijken. Karijini National Park Gestreepte ijzeren formaties, Australië. Krediet:Georgia Tech / Jennifer Glass

Oude ijzeren sleutel

"De oceaanchemie was toen heel anders, " zei Glas, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "De oceanen van vandaag zijn goed geoxygeneerd, dus ijzer roest snel en valt uit de oplossing. Zuurstof was laag in Proterozoïsche oceanen, dus werden ze gevuld met ijzerhoudend ijzer, die zeer reactief is."

Bij laboratoriumexperimenten, Stanton ontdekte dat Fe2+ in zeewater snel reageert met stikstofmoleculen, vooral stikstofmonoxide, om lachgas te produceren in een proces dat chemodenitrificatie wordt genoemd. Dit lachgas (N2O) kan dan opborrelen in de atmosfeer.

Toen Stanton de hogere fluxen van lachgas in het atmosferische model stopte, de resultaten toonden aan dat lachgas tien keer het huidige niveau had kunnen bereiken als de zuurstofconcentraties in het midden van het proterozoïcum 10 procent waren van die van vandaag. Dit hogere lachgas zou onder de Vage Jonge Zon voor een extra boost van de opwarming van de aarde hebben gezorgd.

Lachgas inademen

Lachgas zou ook kunnen zijn wat een oud leven ademde.

Zelfs vandaag, sommige microben kunnen lachgas inademen als er weinig zuurstof is. Er zijn veel overeenkomsten tussen de enzymen die microben gebruiken om stikstof- en lachgas in te ademen en enzymen die worden gebruikt om zuurstof in te ademen. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat de laatste is voortgekomen uit de eerste twee.

Het Georgia Tech-model biedt een overvloedige bron van lachgas in oude ijzerrijke zeeën voor dit evolutionaire scenario. En voorafgaand aan het Proterozoïcum, toen de zuurstof extreem laag was, vroege aquatische microben zouden al lachgas hebben ingeademd.

"Het is heel goed mogelijk dat het leven lachgas inademde lang voordat het zuurstof begon te ademen. Glass zei. "Chemodenitrificatie zou microben kunnen hebben voorzien van een constante bron ervan."