De ademende atmosfeer van de aarde is de sleutel tot leven, en een nieuwe studie suggereert dat de eerste uitbarsting van zuurstof werd toegevoegd door een golf van vulkaanuitbarstingen veroorzaakt door tektoniek.

De studie door geowetenschappers van Rice University biedt een nieuwe theorie om het verschijnen van significante zuurstofconcentraties in de atmosfeer van de aarde ongeveer 2,5 miljard jaar geleden te helpen verklaren, iets wat wetenschappers het Great Oxidation Event (GOE) noemen. Het onderzoek verschijnt deze week in Natuur Geowetenschappen .

"Wat dit uniek maakt, is dat het niet alleen probeert de opkomst van zuurstof te verklaren, " zei hoofdauteur James Eguchi, een NASA-postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Riverside die het werk voor zijn Ph.D. proefschrift bij Rijst. "Het probeert ook een aantal nauw verwante geochemie van het oppervlak te verklaren, een verandering in de samenstelling van koolstofisotopen, dat wordt waargenomen in het carbonaatgesteente een relatief korte tijd na de oxidatiegebeurtenis. We proberen elk ervan uit te leggen met een enkel mechanisme dat het diepe binnenste van de aarde omvat, tektoniek en verbeterde ontgassing van kooldioxide uit vulkanen."

Eguchi's co-auteurs zijn Rajdeep Dasgupta, een experimentele en theoretische geochemicus en professor in Rice's Department of Earth, Milieu- en planetaire wetenschappen, en Johnny Seales, een afgestudeerde Rice-student die hielp met de modelberekeningen die de nieuwe theorie valideerden.

Wetenschappers hebben lang gewezen op fotosynthese - een proces dat afvalzuurstof produceert - als een waarschijnlijke bron voor verhoogde zuurstof tijdens de GOE. Dasgupta zei dat de nieuwe theorie geen afbreuk doet aan de rol die de eerste fotosynthetische organismen, cyanobacteriën, gespeeld in de GOE.

"De meeste mensen denken dat de opkomst van zuurstof verband houdt met cyanobacteriën, en ze zijn niet verkeerd, " zei hij. "De opkomst van fotosynthetische organismen zou zuurstof kunnen vrijgeven. Maar de belangrijkste vraag is of de timing van die opkomst overeenkomt met de timing van de Grote Oxidatie-gebeurtenis. Zoals het blijkt, zij doen niet."

Cyanobacteriën leefden tot 500 miljoen jaar vóór de GOE op aarde. Hoewel er een aantal theorieën zijn aangeboden om uit te leggen waarom het zo lang heeft geduurd voordat zuurstof in de atmosfeer verscheen, Dasgupta zei dat hij niet op de hoogte is van iemand die tegelijkertijd heeft geprobeerd een duidelijke verandering in de verhouding van koolstofisotopen in carbonaatmineralen te verklaren die ongeveer 100 miljoen jaar na de GOE begon. Geologen noemen dit de Lomagundi-gebeurtenis, en het duurde enkele honderden miljoenen jaren.

Een op de honderd koolstofatomen is de isotoop koolstof-13, en de andere 99 zijn koolstof-12. Deze verhouding van 1 tot 99 is goed gedocumenteerd in carbonaten die zich voor en na Lomagundi hebben gevormd, maar die gevormd tijdens het evenement hebben ongeveer 10% meer koolstof-13.

Eguchi zei dat de explosie in cyanobacteriën geassocieerd met de GOE al lang wordt gezien als een rol in Lomagundi.

"Cyanobacteriën nemen liever koolstof-12 dan koolstof-13, ', zei hij. 'Dus als je meer organische koolstof gaat produceren, of cyanobacteriën, dan is het reservoir waaruit de carbonaten worden geproduceerd uitgeput in koolstof-12."

Eguchi zei dat mensen dit probeerden om Lomagundi uit te leggen, maar timing was opnieuw een probleem.

"Als je echt naar het geologische record kijkt, de toename van de koolstof-13-tot-koolstof-12-verhouding vindt feitelijk plaats tot 10 seconden van miljoenen jaren nadat zuurstof is gestegen, " zei hij. "Dus dan wordt het moeilijk om deze twee gebeurtenissen te verklaren door een verandering in de verhouding van organische koolstof tot carbonaat."

Het scenario Eguchi, Dasgupta en Seales kwamen om al deze factoren te verklaren:

• Een dramatische toename van tektonische activiteit leidde tot de vorming van honderden vulkanen die koolstofdioxide in de atmosfeer spuwden.
• Het klimaat werd warmer, toenemende regenval, wat op zijn beurt verhoogde "verwering, " de chemische afbraak van rotsachtige mineralen op de onvruchtbare continenten van de aarde.
• Verwering produceerde een mineraalrijke afvoer die in de oceanen stroomde, ondersteunen van een hausse in zowel cyanobacteriën als carbonaten.
• De organische en anorganische koolstof hiervan belandde op de zeebodem en werd uiteindelijk teruggevoerd naar de aardmantel in subductiezones, waar oceanische platen onder continenten worden gesleept.
• Toen sedimenten opnieuw in de mantel werden gesmolten, anorganische koolstof, gehost in carbonaten, vaak vroeg vrijgelaten, opnieuw de atmosfeer binnenkomen via boogvulkanen direct boven subductiezones.
• organische koolstof, die zeer weinig koolstof-13 bevatte, werd diep in de mantel getrokken en kwam honderden miljoenen jaren later naar voren als koolstofdioxide van vulkanen op eilandhotspots zoals Hawaï.

"Het is een soort groot cyclisch proces, " Zei Eguchi. "We denken dat de hoeveelheid cyanobacteriën ongeveer 2,4 miljard jaar geleden toenam. Dus dat zou onze zuurstoftoename stimuleren. Maar de toename van cyanobacteriën wordt gecompenseerd door de toename van carbonaten. Zodat de koolstof-12-tot-koolstof-13-verhouding niet verandert totdat zowel de carbonaten als de organische koolstof, van cyanobacteriën, diep in de aarde worden gezonken. Wanneer ze dat doen, geochemie in het spel komt, waardoor deze twee vormen van koolstof gedurende verschillende tijdsperioden in de mantel blijven. Carbonaten komen veel gemakkelijker vrij in magma's en komen in een zeer korte periode weer aan de oppervlakte. Lomagundi begint wanneer de eerste koolstof-13-verrijkte koolstof uit carbonaten terugkeert naar de oppervlakte, en het eindigt wanneer de koolstof-12-verrijkte organische koolstof veel later terugkeert, de verhouding opnieuw in evenwicht brengen."

Eguchi zei dat de studie het belang benadrukt van de rol die diepe aardse processen kunnen spelen in de evolutie van het leven aan de oppervlakte.

"We stellen voor dat de uitstoot van kooldioxide erg belangrijk was voor deze toename van het leven, " zei hij. "Het probeert echt te verbinden hoe deze diepere processen het oppervlakteleven op onze planeet in het verleden hebben beïnvloed."

Dasgupta is ook de hoofdonderzoeker van een door NASA gefinancierd project genaamd CLEVER Planets, dat onderzoekt hoe levensessentiële elementen samen kunnen komen op verre exoplaneten. Hij zei dat een beter begrip van hoe de aarde bewoonbaar werd, belangrijk is voor het bestuderen van bewoonbaarheid en de evolutie ervan op verre werelden.

"Het lijkt erop dat de geschiedenis van de aarde vraagt ​​dat tektoniek een grote rol speelt in de bewoonbaarheid, maar dat betekent niet noodzakelijk dat tektoniek absoluut noodzakelijk is voor zuurstofopbouw, " zei hij. "Er kunnen andere manieren zijn om zuurstof op te bouwen en vast te houden, en die onderzoeken is een van de dingen die we proberen te doen in CLEVER Planets."