Wetenschappers hebben lang gedebatteerd hoeveel moleculaire zuurstof er in de vroege atmosfeer van de aarde was. Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden, er was een stijging van zuurstof die de atmosfeer en de biosfeer van de aarde veranderde, uiteindelijk het leven zoals het onze mogelijk maken. Deze overgang wordt de "Grote Oxidatie Gebeurtenis" genoemd. Maar hoeveel zuurstof was er vóór die tijd in de atmosfeer?

Een team van wetenschappers, onder leiding van voormalig promovendus Aleisha Johnson van de Arizona State University, heeft gewerkt aan het ontrafelen van het mysterie van hoe het toneel was opgesteld voor het Grote Oxidatie-evenement.

Met behulp van computermodellering, Johnson en haar team bepaalden hoeveel zuurstof er mogelijk aanwezig was op het aardoppervlak vóór de Grote Oxidatie-gebeurtenis - en de implicaties voor het leven op de vroege aarde.

"We ademen allemaal zuurstof, en we leven allemaal op de enige bekende planeet waar dat mogelijk is, ", zegt Johnson. "Met onze studie, we zijn een stap dichter bij het begrijpen hoe dat gebeurde - hoe de aarde kon overgaan naar, en volhouden, een zuurstofrijke atmosfeer."

De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De al lang bestaande puzzel

Geowetenschappers die het gesteente van de aarde bestuderen, hebben schijnbaar tegenstrijdig bewijs gevonden over de vroege atmosfeer van de aarde. Aan de ene kant, de "vingerafdrukken" van zuurstof die na de Grote Oxidatie-gebeurtenis zijn gevonden, ontbreken meestal vóór die tijd, wat sommige wetenschappers ertoe bracht te beweren dat het afwezig was.

Maar recente ontdekkingen suggereren op zijn minst enige afbraak van gewone mineralen die heftig reageren in aanwezigheid van zuurstof, en op zijn minst enige levering aan de oceanen van chemische elementen zoals molybdeen die zich ophopen in rivieren en oceanen wanneer zuurstof aanwezig is. De tegenstrijdige bewijslijnen creëren een al lang bestaande puzzel.

"Het bewijs leek tegenstrijdig, maar we wisten dat er een verklaring moest zijn, " zei Johnson, die momenteel een National Science Foundation postdoctoraal onderzoeker is aan de Universiteit van Chicago.

Om deze puzzel op te lossen, Johnson en haar team schreven een computermodel dat gebruikmaakt van wat bekend is over de milieuchemie van molybdeen, de reacties van mineralen met kleine hoeveelheden zuurstof, en metingen die anderen hebben gedaan van de hoeveelheid molybdeen in oude sedimentaire gesteenten, om het bereik van zuurstofniveaus te achterhalen dat vóór 2,4 miljard jaar geleden mogelijk was in de atmosfeer van de aarde.

"Dit computermodel helpt ons te kwantificeren hoeveel zuurstof er daadwerkelijk nodig is om de chemie te produceren die zichtbaar is in het gesteente, " zei Johnson.

Wat het team ontdekte, was dat de hoeveelheid zuurstof die nodig was om het bewijs van molybdeen te verklaren zo klein was dat het niet veel andere vingerafdrukken zou hebben achtergelaten.

"Er is een oud gezegde dat 'afwezigheid van bewijs geen bewijs is van afwezigheid, '" zei studie co-auteur Ariel Anbar, die een professor is aan ASU's School of Earth and Space Exploration en School of Molecular Sciences. "Tot nu, onze ideeën over het ontbreken van zuurstof vóór de Grote Oxidatie-gebeurtenis werden meestal gevormd door een gebrek aan bewijs. Nu hebben we reden om aan te nemen dat het er was - alleen op lagere niveaus dan eerder kon worden gedetecteerd."

De bevindingen ondersteunen andere bewijslijnen die suggereren dat zuurstof werd geproduceerd, mogelijk door biologie, lang voor de Grote Oxidatie Gebeurtenis. Dat, beurtelings, helpt wetenschappers bij hun zoektocht om erachter te komen welke veranderingen in de systemen van de aarde een van de belangrijkste transformaties in de geschiedenis van de aarde hebben veroorzaakt.

"Onze hoop is dat deze beperkingen op oude atmosferische zuurstof ons helpen de oorzaak en aard van de Grote Oxidatie-gebeurtenis te begrijpen. Maar dit gaat niet alleen over de geschiedenis van de aarde. Nu we aardachtige werelden beginnen te verkennen die rond andere sterren draaien, we willen weten of zuurstofrijke atmosferen zoals de onze waarschijnlijk veel voorkomend of zeldzaam zijn. Dit onderzoek helpt dus ook bij het zoeken naar leven op andere planeten dan de onze, " zei Johnson.

De aanvullende auteurs van deze studie zijn Chadlin Ostrander van Woods Hole Oceanographic Institution, Stephen Romaniello van de Universiteit van Tennessee, Christopher Reinhard van het Georgia Institute of Technology, Allison Greaney van Oak Ridge National Laboratory en Timothy Lyons van de University of California, Rivieroever.