Jedna od još uvijek nerazriješenih misterija o Zemljinoj povijesti jest kako je planeta prije postajala kisikom i prodirala milijarde godina. Nova studija kaže da su krivac možda ogromne kamene ploče koje čine Zemljinu vanjsku školjku.
Kako bi se ove takozvane ploče kretale, u procesu zvanom tektonika ploča, oni bi zakopali ostatke mrtvih bića ugljikom ispod drugih ploča dok bi kliznuli ispod. U Zemljinom plaštu, ispod kore, ugljik ne bi mogao reagirati s kisikom, ostavljajući ovaj vitalni sastojak u atmosferi, rekli su znanstvenici.
Sve do Velikog događaja oksigenacije atmosfera planeta bila je mješavina dušika, ugljičnog dioksida, vodene pare i metana. Tada je prije 2,5 milijarde godina klasa jednostaničnih bića počela koristiti taj ugljični dioksid i proizvoditi kisik kao otpadni proizvod. Ali kisik je vrlo reaktivan; reakcije s površinskim stijenama i izvlačenjem ugljika iz ostataka mrtvih organizama brzo bi ispraznile element.
Sahranjivanje ugljika
Nova studija Megan Duncan i Rajdeep Dasgupta na Sveučilištu Rice u Teksasu pokazala je da se ugljik iz mrtvih stvorenja gurao ispod Zemljine kore ili oduzimao radi stvaranja grafita i drevnih dijamanata. Kao takav, rekao je dvojac, Veliki događaj oksigenacije dijelom je pokrenut pokretanjem "moderne" tektonike ploča u kojoj se Zemljina kora dijeli na ogromne ploče koje se sudaraju, lebde i kliziju jedna ispod druge.
Proces je bio dovoljno učinkovit da ugljik nije imao vremena da reagira s kisikom, tako da je kisik - otpadni proizvod svih tih ranih bića - ostao u atmosferi i akumulirao se gotovo do danas viđenih nivoa. Rezultat: atmosfera koja će biti moguća za buduće disanje kisika.
"Ovaj je rad započeo razmatranjem procesa koji se danas događaju u subdukcijskim zonama," izjavio je Duncan za Live Science. "A onda se pitam što se dogodilo u drevnim zonama subdukcije."
Duncan je koristio računalni model atmosfere koji je pokazao reakciju između ugljičnog dioksida i vode. Kad njih dvoje reagiraju, stvaraju molekularni kisik (sastavljen od dva atoma kisika) i formaldehid (spoj sastavljen od ugljika, vodika i kisika). Formaldehid nije nužno ono što bi zapravo stvorila živa bića; riječ je o složenijim složenijim organskim ugljikovim spojevima, rekao je Duncan.
Obično je ta reakcija uravnotežena; kisik se vraća natrag kako bi stvorio više ugljičnog dioksida (CO2) i vode, ostavljajući atmosferu bez kisika. Tamo dolaze tektonika ploča, rekli su istraživači. Prema novoj studiji, drvene pločice gurale su sav formaldehid u zemlju, ostavljajući zrak s više kisika. U međuvremenu, bez formaldehida koji pokreće "uravnoteženu" kemijsku reakciju, dodatni CO2 ostao bi u atmosferi, pomažući dušnicima da CO2 napreduju i stvaraju još više kisika kao otpad, otkrili su istraživači u svom računalnom modelu.
Kontroliranje ugljika
Da bi provjerili svoju hipotezu, istraživači su koristili i starija mjerenja ugljika u drevnim pokusima s kore i laboratorijima. Na primjer, u nekim drevnim dijamantima postoji izvjesna količina ugljika-13, izotopa ugljika koji se nalazi u tkivima živih organizama. Ti podaci pokazali su da je neka količina organskog ugljika očito dospjela u plašt (ispod Zemljine kore), rekli su istraživači.
Sljedeće je pitanje bilo hoće li ugljik ostati tamo. Duncan je rastopio komad silikatnog stakla i dodao mu grafit. Staklo je simuliralo drevnu koru, a grafit je predstavljao ugljik iz organizama, rekao je Duncan. Potom je povećala tlak i temperaturu, počevši od nekih 14.800 atmosferskog tlaka i povećavši ga na 29.000 atmosfera (to je nekih 435.000 funti po kvadratnom inču). Rezultati su pokazali da bi se ugljik mogao rastopiti u stijeni pod uvjetima vjerovatno prisutnim u plaštu rane Zemlje, navodi se u studiji. Rezultat je također pokazao da će ugljik vjerojatno ostati ispod kore milijunima godina prije nego što su ga vulkani opet izbacili, navodi se u studiji.
Sklapanje točnog mehanizma za Veliki događaj oksigenacije neće biti lako, rekao je Duncan i vjerojatno je uključivalo nekoliko mehanizama, a ne samo jedan. Jedan od izazova predstavlja vremenski okvir kada je započeo subduction, rekla je.
"Ako su suvremeni tektonski procesi ploča uvijek bili na djelu, to neće uspjeti", rekao je Duncan. Čini se da drugi dokazi pokazuju da rana Zemlja u početku možda nije imala tektoniku ploča i da je postupak započeo kasnije, dodao je Duncan.
"Ovisi i o tome koliko je organskog ugljika uklonjeno s površine", napisao je Duncan u e-poruci. "Koliko organskog ugljika dovede do oceanskog dna (što vjerovatno ovisi o drevnoj kemiji okeana). Znamo da se to događa danas. Možemo izaći i izmjeriti. Vidimo to u drevnim stijenama, a potencijalno i u dijamantima, tako da vjeruju da je organski ugljik bio prisutan i oduzet u čitavoj povijesti Zemlje. "
Problem je postavljanje točnih ograničenja u tome koliko i koliko brzo, rekla je.
Tim Lyons, profesor biogeokemije na Sveučilištu California Riverside, složio se da je povezivanje ovog modela s poznatim rekordima u stijenama izazov. "Jedno od mojih pitanja je mogu li se ti podaci povezati sa čvrstim zapisom povijesti subdukcije", rekao je Lyons.
"Predloženo je mnogo mehanizama za izazivanje GOE-a; niti jedan sam po sebi ne može ponovno stvoriti jačinu povećanja O2 koja se opaža iz zapisa", rekao je Duncan. "Vjerojatno je kombinacija mnogih ovih mehanizama, uključujući subdukciju, omogućila porast razine O2 i ostala do kraja Zemljine povijesti."
Studija se pojavila (25. travnja) u časopisu Nature Geoscience.
