Nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van St. Andrews helpt bij het beantwoorden van een van de meest gestelde vragen in de geowetenschappen, wanneer begon de aarde bewoonbaar te worden voor complex leven?

Het onderzoek, onder leiding van de School of Earth and Environmental Sciences, en gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) lost dit vandaag op door te definiëren wat eerst kwam, de Great Oxidation Event (GOE) of de Paleoproterozoic sneeuwbal aarde periode. De relatieve timing van deze wereldwijde gebeurtenissen is cruciaal voor het begrijpen van veranderingen in atmosferische samenstelling en klimaatomstandigheden, en hoe de eerste tekenen van leven op aarde begonnen.

In het begin van de geschiedenis van de aarde ontbrak het in de atmosfeer aan zuurstof en zou als zodanig vijandig zijn geweest voor een groot deel van het leven dat de planeet vandaag bedekt. Al meer dan een halve eeuw geowetenschappers hebben geprobeerd precies vast te stellen wanneer het zuurstofgehalte in de lucht begon te stijgen, waardoor de aarde bewoonbaarder werd voor complexe, meercellig leven. Wetenschappelijke consensus was dat de eerste opmerkelijke stijging van zuurstof plaatsvond tijdens de Great Oxidation Event (GOE), ergens tussen 2,4 en 2,3 miljard jaar geleden.

Geassocieerd met deze GOE, rotsen uit Canada, Zuid-Afrika, Rusland en elders laten zien dat er een grote mondiale ijstijd heeft plaatsgevonden. Geologisch bewijs suggereert dat ijskappen zich uitstrekten tot de tropen in wat een 'sneeuwbal-aarde'-gebeurtenis wordt genoemd. Wat echter onduidelijk is gebleven, is de relatieve timing van deze gebeurtenissen.

Het team van onderzoekers concentreerde zich op het bepalen van de timing van de GOE door een reeks boorkernen uit het noordwesten van Rusland (Fennoscandia) te onderzoeken, verzameld als onderdeel van het internationale FAR-DEEP boorprogramma. De wetenschappers bestudeerden twee rotsformaties, de oudere Seidorechka sedimentaire formatie en de jongere Polisarka sedimentaire formatie.

Het team voerde zwavelisotoopanalyse uit om te bepalen wat het zuurstofgehalte van de atmosfeer waarschijnlijk was op het moment dat elke rotsopeenvolging werd afgezet. Dit vereiste de ontwikkeling van een nieuwe analytische techniek die in staat is om te analyseren, met hoge precisie, alle vier stabiele isotopen van zwavel. Als resultaat, de Universiteit van St. Andrews heeft nu het enige laboratorium in het VK met deze mogelijkheid en slechts het tweede laboratorium ter wereld om deze specifieke methode te ontwikkelen.

Door veranderingen in de relatieve hoeveelheden van elke zwavelisotoop in de monsters kon het team vaststellen of de zwavelisotopen in deze rotsen een voorspelbare verhouding volgen, massaafhankelijke fractionering of MDF, of ze er niet in slagen een voorspelbare verhouding te volgen, die massa-onafhankelijke fractionering of MIF aangeeft. Het is alleen mogelijk om zwavel-MIF te produceren en te bewaren in een atmosfeer zonder significante zuurstof; wanneer het zuurstofgehalte stijgt, zwavel MDF neemt het over. Daarom, een veel voorkomende marker voor de GOE is deze overgang van MIF naar MDF in de rockrecord.

Uit de analyse bleek dat de oudere Seidorechka Sedimentary Formation zwavel MIF behoudt, maar de jongere Polisarka Sedimentary Formation behoudt zwavel MDF-omstandigheden. Dit betekent dat de GOE ergens tussen de afzetting van deze twee rotsopeenvolgingen plaatsvond. Met behulp van eerder gepubliceerde leeftijdsbeperkingen, de onderzoekers concludeerden dat de GOE tussen 2,50 en 2,43 miljard jaar geleden moet hebben plaatsgevonden. Dit is een oudere leeftijd voor de GOE, waarvan eerder werd gedacht dat deze 2,48 tot 2,39 miljard jaar geleden plaatsvond en beperkt een smallere, tijdsinterval van ongeveer 70 miljoen jaar waarin het had kunnen plaatsvinden.

hoofd wetenschapper, Dr. Matthew Warke, van de School voor Aard- en Milieuwetenschappen, zei:"Ons onderzoek stelt ons in staat om definitief te zeggen dat de GOE voorafging aan de vroegste sneeuwbal-aardglaciatie in de geschiedenis, aangezien de laatste ongeveer 2,42 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden. Dit verhoogt de mogelijkheid dat de opkomst van zuurstof in de atmosfeer van de aarde tijdens de GOE heeft mogelijk een van de ernstigste ijstijden veroorzaakt die de planeet ooit heeft meegemaakt.

"Een mogelijk mechanisme waardoor dit kan zijn gebeurd, die consistent is met onze resultaten en huidige denkwijze, is dat stijgende zuurstofniveaus in de lucht een door methaan gedomineerde kas ernstig kunnen hebben gedestabiliseerd, waardoor de oppervlaktetemperaturen snel zijn gedaald. Er kunnen andere mechanismen hebben gewerkt, maar cruciaal is dat onze resultaten alle mechanismen uitsluiten die beweren dat de sneeuwbalgletsjer plaatsvond vóór de GOE, het oplossen van een van de langst bestaande 'kip-of-ei'-problemen in de geschiedenis van de aarde."