Однією з досі нерозгаданих загадок історії Землі є те, як планета стала кисневою та дихаючою мільярдами років тому. Тепер, у новому дослідженні, винуватим, можливо, були гігантські скельні плити, що складають зовнішню оболонку Землі.
Коли ці так звані плити рухалися, в процесі, званому тектонікою плит, вони ховали б поховати багаті вуглецем залишки мертвих істот під іншими плитами, коли вони ковзали під ними. У земній мантії під земною кіркою вуглець не міг би реагувати з киснем, залишаючи цей життєво важливий інгредієнт в атмосфері, кажуть вчені.
До Великої події кисню атмосфера планети була сумішшю азоту, вуглекислого газу, водяної пари та метану. Потім, 2,5 мільярда років тому, клас одноклітинних істот почав використовувати цей вуглекислий газ і виробляти кисень як продукт відходів. Але кисень є високореакційним; реакції з поверхневими породами та викидом вуглецю із залишків мертвих організмів швидко виснажують стихію.
Поховання вуглецю
Нове дослідження Меган Данкан та Радждейп Дасгупта в університеті Райсу в Техасі показало, що вуглець від мертвих істот потрапив під земну кору або піддався, щоб утворити графіти та древні алмази. Як такий дует, сказав дует, Велика подія оксигенації почасти була спричинена початком "сучасної" тектоніки плит, в якій земна кора розділена на величезні плити, що стикаються, стискаються і ковзають одна над одною.
Процес був досить ефективним, що вуглець не встиг реагувати з киснем, тому кисень - продукт відходів усіх цих ранніх створінь - залишився в атмосфері і накопичився майже до рівня, що спостерігається сьогодні. Результат: атмосфера, яка піддається майбутнім киснем, що дихає киснем.
"Ця робота розпочалася з розгляду процесів, які сьогодні відбуваються в зонах субдукції", - сказав Дункан Live Science. "І тоді цікаво, що сталося в давніх зонах субдукції".
Данкан використовував комп'ютерну модель атмосфери, що показує реакцію між вуглекислим газом і водою. Коли двоє реагують, вони утворюють молекулярний кисень (складається з двох атомів кисню) та формальдегід (сполука, що складається з вуглецю, водню та кисню). Формальдегід не обов'язково виробляє живі істоти; Дункан сказав, що це стан для складніших сполук органічного вуглецю.
Зазвичай ця реакція є врівноваженою; кисень повертається назад, щоб зробити більше вуглекислого газу (СО2) та води, залишаючи атмосферу, позбавлену кисню. Ось звідки входить тектоніка плит, вважають дослідники. Згідно з новим дослідженням, пластові пластини підштовхували весь формальдегід до землі, залишаючи повітря з більшою кількістю кисню. Тим часом, без формальдегіду, що веде до "збалансованої" хімічної реакції, зайвий CO2 залишатиметься в атмосфері, допомагаючи дихаючим СО2 процвітати та виробляти ще більше кисню як відходів, виявили дослідники в їх комп'ютерній моделі.
Зберігання вуглецю в чеці
Щоб перевірити свою гіпотезу, дослідники використовували як давніші вимірювання вуглецю в древніх земних корах, так і лабораторні експерименти. Наприклад, у деяких стародавніх алмазах є певна кількість вуглецю-13, ізотопу вуглецю, який знаходиться в тканинах живих організмів. Ці дані показали, що деяка кількість органічного вуглецю чітко потрапило в мантію (під земну кору), вважають дослідники.
Наступне питання полягав у тому, чи залишиться вуглець там. Данкан розплавив шматок силікатного скла і додав до нього графіт. Скло імітувало древню кору, а графіт являв собою вуглець від організмів, сказав Дункан. Потім вона підвищила тиск і температуру, починаючи з приблизно 14 800 атмосферного тиску і збільшуючи його до 29000 атмосфер (це близько 435 000 фунтів на квадратний дюйм). Результати показали, що вуглець може розчинятися в гірській породі за умов, ймовірно, наявних у мантії ранньої Землі, йдеться у дослідженні. Результат також показав, що вуглець, ймовірно, залишатиметься під земною кіркою протягом мільйонів років, перш ніж вулкани знову вирвуть його.
Дункан зазначив, що чітко встановити точний механізм Великої події оксигенації буде непросто, і, ймовірно, це стосується декількох механізмів, а не одного. Одним із викликів є часовий графік, коли почалося вгамування, сказала вона.
"Якщо сучасні тектонічні процеси плит завжди були в дії, це не працює", - сказав Дункан. Інші докази свідчать, що рання Земля, можливо, не мала тектоніки плит спочатку і що процес почався пізніше, додав Данкан.
"Це також залежить від того, скільки органічного вуглецю було видалено з поверхні", - написав Данкан в електронному листі. "Скільки органічного вуглецю потрапило на океанське дно (що, ймовірно, залежить від давньої хімії океану). Ми знаємо, що це відбувається сьогодні. Ми можемо вийти і виміряти його. Ми бачимо це в древніх скелях і, можливо, в алмазах, вірять, що органічний вуглець був присутній і пригнічений протягом усієї історії Землі ".
Проблема полягає у встановленні точних обмежень щодо того, наскільки і як швидко, сказала вона.
Тім Лайонс, професор біогеохімії з Каліфорнійського університету в Ріверсайді, погодився, що пов'язати цю модель із відомим записом у скелях є проблемою. "Одне з моїх запитань - чи можна ці дані прив'язати до надійних записів історії підкорення", - сказав Ліонс.
"Запропоновано багато механізмів, які викликають ІОЗ; жоден сам по собі не може відновити величину збільшення O2, що спостерігається із запису", - сказав Данкан. "Ймовірно, поєднання багатьох із цих механізмів, у тому числі субдукція, дозволило підвищити рівень O2 та зберегти його до кінця історії Землі".
Дослідження з’явилося (25 квітня) у журналі Nature Geoscience.
