Üks endiselt lahendamata saladusi Maa ajaloos on see, kuidas planeet sai miljardeid aastaid tagasi hapnikuvaeseks ja hingavaks. Nüüd ütleb uus uuring, et süüdlane võisid olla hiiglaslikud kiviplaadid, mis moodustavad Maa väliskesta.
Kui need niinimetatud plaadid liikusid, siis plaaditektoonikaks nimetatud protsessis oleks nad matnud teiste plaatide alla surnud olendite süsinikurikkad jäänused, kui need alt libisevad. Maavoores maakoore all ei suudaks süsinik hapnikuga reageerida, jättes selle olulise koostisosa atmosfääri, ütlesid teadlased.
Kuni suure hapnikujuhtumiseni oli planeedi atmosfäär lämmastiku, süsinikdioksiidi, veeauru ja metaani segu. Siis, 2,5 miljardit aastat tagasi, hakkas üksrakuline olendite klass kasutama seda süsinikdioksiidi ja tootma jäätmena hapnikku. Kuid hapnik on väga reageeriv; reaktsioonid pinnakivimitega ja surnud organismide jääkidest imbunud süsinik kahandavad elemendi kiiresti.
Söe matmine
Texase Rice'i ülikooli Megan Duncani ja Rajdeep Dasgupta uus uuring näitas, et surnud olenditest pärit süsinik suruti maapõue alla või subdukteeriti grafiitide ja iidsete teemantide moodustamiseks. Sellisena, väitis duo, oli suure hapnikusündmuse ajendiks osaliselt "moodsa" plaatide tektoonika algus, mille käigus maapõue jaguneb tohututeks plaatideks, mis põrkuvad, räpivad ja libisevad üksteise kohal ja all.
Protsess oli piisavalt tõhus, et süsinikul ei olnud aega hapnikuga reageerida, nii et hapnik - kõigi nende varajaste olendite jäätmeprodukt - püsis atmosfääris ja kogunes täna nähtud taseme lähedale. Tulemus: atmosfäär, mida saavad kasutada tulevased hapnikuhingajad.
"Selle töö alustamiseks kaaluti täna subduktsioonitsoonides toimuvaid protsesse," rääkis Duncan Live Science'ile. "Ja siis imestatakse, mis juhtus iidsetes subduktsioonitsoonides."
Duncan kasutas atmosfääri arvutimudelit, mis näitab reaktsiooni süsinikdioksiidi ja vee vahel. Kui need kaks reageerivad, moodustavad nad molekulaarse hapniku (koosneb kahest hapniku aatomist) ja formaldehüüdi (ühend, mis koosneb süsinikust, vesinikust ja hapnikust). Formaldehüüd ei ole tingimata see, mida elusolendid tegelikult tekitaksid; see on stand keerukamate orgaaniliste süsinikuühendite jaoks, ütles Duncan.
Tavaliselt on see reaktsioon tasakaalustatud; hapnik tsükli tagasi, et saada rohkem süsinikdioksiidi (CO2) ja vett, jättes atmosfääri hapnikuta. Seal tulevad plaaditektoonikad, väitsid teadlased. Uue uuringu kohaselt lükkasid jostlinguplaadid kogu formaldehüüdi maa alla, jättes õhku rohkem hapnikku. Samal ajal, kui formaldehüüd ei juhiks "tasakaalustatud" keemilist reaktsiooni, jääks atmosfääri täiendav süsinikdioksiid, mis aitab CO2-hingajatel jõudsalt areneda ja toota jäätmetena veelgi rohkem hapnikku, leidsid teadlased oma arvutimudelist.
Süsiniku kontrollimine
Hüpoteesi kontrollimiseks kasutasid teadlased iidses koorikus nii vanemaid süsiniku mõõtmisi kui ka laborikatseid. Näiteks on mõnes iidses teemandis teatud kogus süsinikku-13, süsiniku isotoopi, mida leidub elusorganismide kudedes. Need andmed näitasid, et mingi kogus orgaanilist süsinikku muutis selle selgelt vahevööks (maapõue all), väitsid teadlased.
Järgmine küsimus oli, kas süsinik sinna jääb. Duncan sulas tükikese silikaatklaasi ja lisas sellele grafiiti. Klaas jäljendas iidset koorikut ja grafiit kujutas organismide süsinikku, ütles Duncan. Seejärel tõstis ta rõhku ja temperatuuri, alustades umbes 14 800 atmosfääri rõhust ja suurendades seda 29 000 atmosfäärini (see on umbes 435 000 naela ruuttolli kohta). Tulemused näitasid, et süsinik võib kivimis lahustuda tingimustes, mis tõenäoliselt esinevad Maa vareses vahevöös, väitis uuring. Samuti näitas tulemus, et süsinik püsis kooriku all miljonite aastate jooksul enne seda, kui vulkaanid selle uuesti välja haakisid, väitis uuring.
Duncan ütles, et suure hapnikusündmuse täpse mehhanismi näppimine pole lihtne, ja tõenäoliselt hõlmas see mitut mehhanismi, mitte ainult ühte. Üks väljakutse on subduktsiooni alguse ajakava, ütles ta.
"Kui tänapäevased plaaditektoonilised protsessid on alati toiminud, siis see ei toimi," sõnas Duncan. Tundub, et muud tõendusmaterjalid näitavad, et Maa varakult ei pruukinud algselt olla plaaditektoonikat ja protsess algas hiljem, lisas Duncan.
"See sõltub ka sellest, kui palju orgaanilist süsinikku pinnalt eemaldati," kirjutas Duncan meilis. "Kui palju orgaanilist süsinikku selle ookeanipõhja jõudis (see sõltub tõenäoliselt iidsetest ookeanikeemiatest). Teame, et see juhtub tänapäeval. Saame välja minna ja seda mõõta. Näeme seda iidsetes kivimites ja potentsiaalselt teemantides, nii et me usuvad, et orgaaniline süsinik oli kogu Maa ajaloos olemas ja vähenenud. "
Probleem seisneb selles, kui palju ja kui kiiresti on täpsed piirid, ütles ta.
California Riverside'i ülikooli biogeokeemia professor Tim Lyons nõustus, et selle mudeli sidumine kivide teadaoleva rekordiga on väljakutse. "Üks minu küsimusi on, kas neid andmeid saab siduda subduktsiooni ajaloo kindla registriga," sõnas Lyons.
"On tehtud palju mehhanisme, mis põhjustaksid GOE tekke; ükski neist ei suuda iseseisvalt taastada O2 tõusu suurusjärku, mida on rekordiliselt täheldatud," ütles Duncan. "Tõenäoliselt võimaldas paljude nende mehhanismide kombinatsioon, sealhulgas subduktsioon, O2 taset tõusta ja säilitada kogu ülejäänud Maa ajaloo vältel."
Uuring ilmus (25. aprillil) ajakirjas Nature Geoscience.
