Zuurstof verzamelde zich ongeveer 2,4 miljard jaar geleden voor het eerst in de atmosfeer van de aarde, tijdens het Great Oxidation Event. Een al lang bestaande puzzel is dat geologische aanwijzingen suggereren dat vroege bacteriën honderden miljoenen jaren daarvoor fotosynthetiseerden en zuurstof uitpompten. Waar ging het allemaal heen?

Iets hield de stijging van zuurstof tegen. Een nieuwe interpretatie van gesteente van miljarden jaren oud vindt dat vulkanische gassen de waarschijnlijke boosdoeners zijn. Het onderzoek onder leiding van de Universiteit van Washington werd in juni gepubliceerd in het open-accesstijdschrift Natuurcommunicatie .

"Deze studie herleeft een klassieke hypothese voor de evolutie van zuurstof in de lucht, " zei hoofdauteur Shintaro Kadoya, een UW-postdoctoraal onderzoeker in de aard- en ruimtewetenschappen. "De gegevens tonen aan dat een evolutie van de aardmantel een evolutie van de atmosfeer van de aarde zou kunnen beheersen, en mogelijk een evolutie van het leven."

Meercellig leven heeft een geconcentreerde toevoer van zuurstof nodig, dus de ophoping van zuurstof is de sleutel tot de evolutie van zuurstofademend leven op aarde.

"Als veranderingen in de mantel de zuurstof in de lucht regelen, zoals deze studie suggereert, de mantel zou uiteindelijk het tempo van de evolutie van het leven kunnen bepalen, ' zei Kadoya.

Het nieuwe werk bouwt voort op een paper uit 2019 waaruit bleek dat de vroege aardmantel veel minder geoxideerd was, of bevatte meer stoffen die kunnen reageren met zuurstof, dan de moderne mantel. Die studie van oude vulkanische rotsen, tot 3,55 miljard jaar oud, werden verzameld van sites die Zuid-Afrika en Canada omvatten.

Robert Nicklas bij Scripps Institution of Oceanography, Igor Puchtel aan de Universiteit van Maryland, en Ariel Anbar van de Arizona State University behoren tot de auteurs van de studie van 2019. Ze zijn ook co-auteurs van het nieuwe artikel, kijken naar hoe veranderingen in de mantel de vulkanische gassen beïnvloedden die naar de oppervlakte ontsnapten.

De Archeïsche Eon, toen alleen microbieel leven wijdverbreid was op aarde, was meer vulkanisch actief dan nu. Vulkaanuitbarstingen worden gevoed door magma - een mengsel van gesmolten en halfgesmolten gesteente - en gassen die ontsnappen, zelfs als de vulkaan niet uitbarst.

Sommige van die gassen reageren met zuurstof, of oxideren, om andere verbindingen te vormen. Dit gebeurt omdat zuurstof de neiging heeft om hongerig te zijn naar elektronen, dus elk atoom met een of twee losjes vastgehouden elektronen reageert ermee. Bijvoorbeeld, waterstof die vrijkomt door een vulkaan combineert met vrije zuurstof, het verwijderen van die zuurstof uit de atmosfeer.

De chemische samenstelling van de aardmantel, of zachtere rotslaag onder de aardkorst, regelt uiteindelijk de soorten gesmolten gesteente en gassen die uit vulkanen komen. Een minder geoxideerde vroege mantel zou meer gassen zoals waterstof produceren die zich combineren met vrije zuurstof. Het artikel uit 2019 laat zien dat de mantel geleidelijk meer geoxideerd werd van 3,5 miljard jaar geleden tot vandaag.

De nieuwe studie combineert die gegevens met bewijs van oude sedimentaire gesteenten om een ​​kantelpunt te laten zien ergens na 2,5 miljard jaar geleden, toen zuurstof geproduceerd door microben het verlies aan vulkanische gassen overwon en zich begon op te hopen in de atmosfeer.

"In principe, de toevoer van oxideerbare vulkanische gassen was in staat om fotosynthetische zuurstof op te slokken gedurende honderden miljoenen jaren nadat de fotosynthese zich had ontwikkeld, " zei co-auteur David Catling, een UW-hoogleraar aard- en ruimtewetenschappen. "Maar naarmate de mantel zelf meer geoxideerd werd, er kwamen minder oxideerbare vulkanische gassen vrij. Toen stroomde er zuurstof in de lucht toen er niet meer genoeg vulkanisch gas was om alles op te dweilen."

Dit heeft implicaties voor het begrijpen van de opkomst van complex leven op aarde en de mogelijkheid van leven op andere planeten.

"De studie geeft aan dat we de mantel van een planeet niet kunnen uitsluiten als we kijken naar de evolutie van het oppervlak en het leven van de planeet, ' zei Kadoya.