Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden veranderde alles voor de aarde. Dat was de tijd van de Geweldig oxidatie-evenement (GOE), toen fotosynthetische bacteriën de atmosfeer overspoelden met zuurstof, waardoor vroege, niet-zuurstofgebruikende levensvormen naar de rand van de aarde werden verbannen. De GOE legde de basis voor de aarde die we vandaag zien, gedomineerd door complexe, zuurstof-ademende levensvormen.
Maar er is één detail over de timing van de GOE die wetenschappers verbijsterd heeft. Fotosynthetische bacteriën pompten zuurstof uit lang voor de eigenlijke GOE; honderden miljoenen jaren geleden, in feite.
Waar is alle zuurstof gebleven?
Een nieuwe studie onderzocht die vraag. De hoofdauteur is Shintaro Kadoya, een postdoctoraal onderzoeker in Earth and Space Sciences aan de Universiteit van Washington. De studie is getiteld “ Mantelgegevens impliceren dat een afname van oxideerbare vulkanische gassen de Grote Oxidatie had kunnen veroorzaken .” Het is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
De aardmantel, atmosfeer en leven zijn met elkaar verbonden in een soort polyamoreuze feedbacklus. Ze beïnvloeden elkaar allemaal. Dat hebben ze gedurende de lange geschiedenis van de planeet, en dat doen ze tot op de dag van vandaag nog steeds. Er is geen ontkomen aan chemie.
Toen fotosynthetische levensvormen verschenen, begonnen ze zuurstof te produceren als bijproduct van hun metabolisme. Maar in het begin concentreerde die zuurstof zich niet in de atmosfeer. Dat komt door vulkanen en de samenstelling van het materiaal dat vulkanen van de aarde naar boven brachten mantel , volgens deze nieuwe studie.
Wanneer vulkanen actief zijn, sturen ze grote hoeveelheden gassen de atmosfeer in. De aard van die gassen hangt af van de aard van de materialen in de aardmantel. Eerder in de geschiedenis van de aarde leverden vulkanen bijvoorbeeld veel waterstof uit de mantel in de atmosfeer.
De lagen van de aarde, een gedifferentieerd planetair lichaam. Krediet: Wikipedia Commons/Surahit
Zuurstof is een swinger. Het is zeer reactief en aarzelt niet om te combineren met zaken als waterstof. En dat is precies wat er gebeurde. Het gebeurde niet alleen met waterstof, het gebeurde met allerlei andere materialen die vulkanen naar de oppervlakte brachten.
Dus hoewel die vroege zuurstofproducerende levensvormen alles gaven wat ze hadden, vochten ze een zware strijd. De zuurstof die ze produceerden, gecombineerd met dingen als waterstof, werd uit de atmosfeer verwijderd.
'Kortom, 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.'
David Catling, co-auteur van de studie, UW-hoogleraar aard- en ruimtewetenschappen
Dus de inhoud van de oude mantel van de aarde controleerde de atmosferische zuurstofconcentratie door vulkanische activiteit. En totdat er voldoende zuurstof in de atmosfeer was geconcentreerd, kon het complexe meercellige leven niet op gang komen.
Dingen waren vastgelopen.
De vroege aarde was niet alleen vulkanischer dan de huidige aarde. De samenstelling van de mantel was anders, wat betekent dat de samenstelling van gassen bij de uitbarstingen anders was. De Mount Redoubt-vulkaan in Alaska. Image Credit: door R. Clucas - http://pubs.usgs.gov/dds/dds-39/album.html en http://gallery.usgs.gov/photos/03_29_2013_otk7Nay4LH_03_29_2013_5#.UrvS2vfTnrc, Public Domain, https: //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5768911
Een vorige studie 2019 toonde aan dat de oude mantel van de aarde minder zuurstof bevatte dan nu, en meer stoffen die kunnen reageren met zuurstof. Die studie was gebaseerd op vulkanische rotsen in Canada en Zuid-Afrika die 3,55 miljard jaar oud waren. Het laat ook zien dat de aardmantel geleidelijk meer geoxideerd is naarmate de tijd verstrijkt.
Sommige van de auteurs van dat artikel uit 2019 zijn ook betrokken bij dit nieuwe onderzoek. Dit nieuwe werk gaat dieper in op hoe veranderingen in de aardmantel hebben geleid tot veranderingen in de vulkanische gassen die in de atmosfeer vrijkomen.
Het werk richt zich op een periode in de geschiedenis van de aarde genaamd de Archean Eon , die ongeveer 4 miljard jaar geleden begon. Op dat moment was de aarde slechts ongeveer 500 miljoen jaar oud. Er was in die tijd veel meer vulkanische activiteit, en al die vulkanische activiteit werd gevoed door magma en door ondergrondse gassen.
De mantel is de zachtere laag van de aarde, direct onder de korst . Deze nieuwe studie laat zien dat de inhoud van de mantel toen anders was. Het bevatte meer materiaal dat nog niet was geoxideerd. Dus al die oude vulkanische activiteit produceerde voldoende materiaal voor de atmosferische zuurstof om mee te combineren, waardoor de zuurstof uit de atmosfeer werd verwijderd.
Toen kwam er een kantelpunt in het hele proces.
Deze gigantische hopen fossiele stromatolieten van ongeveer 2,5 miljard jaar geleden bevinden zich in Zuid-Afrika. Let voor schaal op de bungelende benen van een persoon in het midden bovenaan. Deze gelaagde mineralen werden afgezet op een oude kustlijn door gemeenschappen van microben, waaronder fotosynthetische bacteriën die zuurstof produceerden. De nieuwe studie suggereert dat de zuurstof die door deze microben wordt geproduceerd miljoenen jaren heeft gereageerd met vulkanische gassen voordat het zich begon op te hopen in de atmosfeer van de aarde, ongeveer 2,4 miljard jaar geleden. Afbeelding tegoed: David Catling/Universiteit van Washington
Bewijs van oud sedimentair gesteente, inclusief gestreepte ijzerformaties, toont aan dat ongeveer 2,5 miljard jaar geleden de vulkanische cyclus meer van het materiaal in de mantel had geoxideerd. Naarmate de vulkanische activiteit voortduurde, produceerde het minder materiaal dat gemakkelijk zou worden gecombineerd met zuurstof. De aardmantel werd steeds meer geoxideerd. Langzaam kon de zuurstof die door levensvormen wordt geproduceerd zich ophopen in de atmosfeer.
De mantel, ooit een zuurstofput, raakte verzadigd. De oxgyen kon nergens heen, behalve de atmosfeer. Dat begon met het Grote Oxidatie-evenement, dat de weg vrijmaakte voor een complex leven.
'Kortom, de toevoer van oxideerbare vulkanische gassen was in staat om fotosynthetische zuurstof op te slokken gedurende honderden miljoenen jaren nadat de fotosynthese was geëvolueerd', zei co-auteur David Catling, een UW-hoogleraar aard- en ruimtewetenschappen. 'Maar naarmate de mantel zelf meer geoxideerd werd, kwamen er 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.”
In hun onderzoek wijzen de auteurs erop dat het niet zo eenvoudig ligt. Er zijn andere complexiteiten en andere mechanismen die bijdragen aan het zuurstofgehalte van de atmosfeer. 'Dit resultaat sluit echter niet uit dat andere processen in de oxidatie van de atmosfeer een rol spelen...' schrijven ze.
Een oude komatiite-lava uit de Komati-vallei in Zuid-Afrika. Let op de tool aan de rechterkant voor schaal. Co-auteurs gebruikten dit soort lava's van meer dan 3 miljard jaar geleden om te leren hoe de chemie van de mantel is veranderd. Afbeelding tegoed:CSIRO / Wikipedia
Zonder in detail te treden, zijn er andere processen die de hoeveelheid waterstof en andere oxideerbare materialen in de mantel, die door vulkanische activiteit in de atmosfeer worden gebracht, kunnen vergroten. Andere processen kunnen meer van de bestaande waterstof beschikbaar maken, zonder de hoeveelheid in de mantel te veranderen. De aarde was toen een drukke plaats en de afkoeling van de mantel had invloed op al deze zuurstoftransacties.
Dit is allemaal miljarden jaren geleden gebeurd. En hoewel oude gesteenten in sommige opzichten solide bewijs leveren, moesten andere dingen, zoals de fluxsnelheid van zuurstof die door mantelgassen wordt geabsorbeerd, zo goed mogelijk worden geschat. Een voorbeeld hiervan betreft de feitelijke datum van de GOE en hoe er rond die datum een 'onzekerheidsenvelop' is. De auteurs schrijven dat …”onzekerheden in de fO2
Wat hier interessant aan is, is niet alleen hoe het ons begrip van de aarde en de opkomst van complex leven hier beïnvloedt. Het strekt zich ook uit tot ons begrip van exoplaneten en hun potentieel om leven te ondersteunen.
'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.
Meer:
- Persbericht: Vulkanische activiteit en veranderingen in de aardmantel waren de sleutel tot de stijging van zuurstof in de lucht
- Onderzoeksdocument: Mantelgegevens impliceren dat een afname van oxideerbare vulkanische gassen de Grote Oxidatie had kunnen veroorzaken
- Universum vandaag: Sciencefiction zou toch wel eens gelijk kunnen hebben. Er kunnen ademende sferen zijn in het hele universum