De laatste jaren is er een explosie van exoplaneetontdekkingen geweest. Sommige van die werelden bevinden zich in wat wij de 'bewoonbare zone' noemen, althans in voorlopige observaties. Maar hoeveel van hen zullen levensondersteunende, zuurstofrijke atmosferen hebben in dezelfde geest als die van de aarde?
Een nieuwe studie suggereert dat ademende atmosferen misschien niet zo zeldzaam zijn als we dachten op planeten zo oud als de aarde.
Het duurde lang voordat de aarde de zuurstofrijke atmosfeer had ontwikkeld waar we nu van genieten. Tot ongeveer 2,4 miljard jaar geleden had onze planeet veel minder zuurstof in haar atmosfeer en oceanen. Dat veranderde allemaal toen er een grote zuurstofgebeurtenis plaatsvond; de eerste van drie die de aarde vormden.
Het driestappenmodel van de zuurstofvoorziening van de aarde wordt vrij algemeen begrepen en geaccepteerd, hoewel het niet zonder controverse is. Het model schetst drie grote verschuivingen in de geschiedenis van de aarde, waarbij elk de atmosfeer van de aarde aanzienlijk verandert door meer zuurstof toe te voegen.
De drie evenementen waren:
- Het grote oxidatie-evenement vond ongeveer 2,4 miljard jaar geleden plaats tijdens het paleoproterozoïcum. In dit geval verzamelde zich biologisch geproduceerde zuurstof in de oceanen en de atmosfeer, wat waarschijnlijk leidde tot een initiële massa-extinctie.
- De Neoproterozoic Oxygenation Event zag een dramatische stijging van de zuurstofniveaus en ging ongeveer 540 miljoen jaar geleden vooraf aan de Cambrische explosie.
- De Paleozoic Oxygenation-gebeurtenis vond ongeveer 400 miljoen jaar geleden plaats en zag zuurstof het huidige niveau van ongeveer 21% bereiken.
De geschiedenis van de zuurstofvoorziening van de aarde is ingewikkeld. Het was geen lineaire voortgang. In het begin werd zuurstof geproduceerd als afvalbijproduct door levensvormen, en veel ervan werd opgenomen door de aardkorst. Zuurstof is zeer reactief en vormde allerlei verbindingen met andere elementen en raakte opgesloten in de korst. In het bijzonder reageerde het met ijzer om ijzeroxide te produceren in het geologische record, een van onze beste indicatoren voor wanneer zuurstof de atmosfeer binnenkwam.
Er is echter veel discussie over dit model. Volgens een begrip van het model produceerden fotosynthetische bacteriën in de oceaan veel van de vroege zuurstof. Toen kwamen op het land gebaseerde planeten honderden miljoenen jaren later langs, waardoor het zuurstofniveau weer steeg. Er zijn ook aanwijzingen dat platentektoniek en enorme vulkaanuitbarstingen een rol speelden.
Een artikel van de auteurs van deze nieuwe studie zegt dat dit model impliceert dat er een bepaald geluk nodig is om een zuurstofrijke wereld te creëren. "Als er geen vulkaanuitbarsting had plaatsgevonden, of als een bepaald type organisme niet was geëvolueerd, dan zou de zuurstof op een laag niveau zijn vastgelopen", zegt hij.
Maar misschien is dat niet het geval.
Hun nieuwe studie heeft als titel 'Stepwise Earth oxygenation is a inherent property of global biogeochemical cycling' en het woord 'inherent' staat hier centraal. De auteurs zeggen dat toen we eenmaal de juiste microben en platentektoniek hadden, die beide 3 miljard jaar geleden waren vastgesteld, het slechts een kwestie van tijd was voordat we het zuurstofniveau bereikten dat we nu hebben. Ongeacht vulkanen en landplanten.
“Dit onderzoek test echt ons begrip van hoe de aarde zuurstofrijk werd en zo intelligent leven kon ondersteunen.“
Lewis Alcott, hoofdauteur, Earth Surface Science Institute, Leeds University.
In plaats van externe krachten, was het 'een reeks interne feedbacks met betrekking tot de wereldwijde fosfor-, koolstof- en zuurstofcycli' die tot de zuurstofvoorziening van de aarde leidden, zoals de studie zegt. In feite zouden die cycli 'hetzelfde patroon van drie stappen hebben voortgebracht als in het geologische record'.
Het komt allemaal hierop neer, uit het artikel: "We concluderen dat de zuurstofgebeurtenissen van de aarde volledig consistent zijn met geleidelijke oxygenatie van het planetaire oppervlak na de evolutie van zuurstofrijke fotosynthese."
Maar hoe kwamen ze tot die conclusie?
De onderzoekers zijn afkomstig van de Leeds University in het VK. De hoofdauteur is Lewis J. Alcott, een promovendus gevestigd in het Earth Surface Science Institute. Alcott en de andere onderzoekers werkten met een beproefd model van mariene biogeochemie en pasten dit aan. Ze voerden dat model door de hele geschiedenis van de aarde en ontdekten dat het de drie belangrijkste oxygenatie-gebeurtenissen helemaal zelf veroorzaakte.
In een persbericht zei Alcott: "Dit onderzoek test echt ons begrip van hoe de aarde zuurstofrijk werd en zo intelligent leven kon ondersteunen."
Het dominante denken achter de geschiedenis van oxygenatie op aarde is afhankelijk van een paar brede categorieën van gebeurtenissen om het uit te leggen. Een daarvan zijn grote evolutionaire ontwikkelingen in levensvormen die zuurstof produceren. In wezen 'biologische revoluties', waarbij levensvormen steeds complexer werden en een zuurstofrijke omgeving creëerden. De tweede categorie is tektonische revoluties: een dramatische en bijzondere toename van tektonische activiteit, inclusief aanzienlijke vulkanische activiteit, die de korst veranderde en leidde tot hogere zuurstofniveaus.
Er is veel discussie geweest over de exacte aard van beide brede categorieën, maar deze nieuwe studie geeft wetenschappers iets meer om over na te denken. In plaats van te vertrouwen op "stapsgewijze" gebeurtenissen die in het geologische record kunnen worden vastgesteld om oxygenatie te verklaren, wijst de nieuwe studie op feedbackcycli tussen fosfor, koolstof en zuurstof.
De studie suggereert ook dat oxygenatie onvermijdelijk was.
Co-auteur professor Simon Poulton, ook van de School of Earth and Environment in Leeds, zei: “Ons model suggereert dat zuurstofvoorziening van de aarde tot een niveau dat het complexe leven kan ondersteunen onvermijdelijk was, zodra de microben die zuurstof produceren, waren geëvolueerd. "
De kern van dit nieuwe model is de mariene fosforcyclus. Hun model produceerde hetzelfde driestaps oxygenatiepatroon dat de aarde ervoer 'wanneer het uitsluitend werd aangedreven door een geleidelijke verschuiving van reducerende naar oxiderende oppervlakteomstandigheden in de tijd. De overgangen worden aangedreven door de manier waarop de mariene fosforcyclus reageert op veranderende zuurstofniveaus en hoe dit de fotosynthese beïnvloedt, waarvoor fosfor nodig is. ”
“Ons werk laat zien dat de relatie tussen de wereldwijde fosfor-, koolstof- en zuurstofcycli fundamenteel is voor het begrijpen van de oxygenatiegeschiedenis van de aarde. Dit zou ons kunnen helpen om beter te begrijpen hoe een andere planeet dan de onze bewoonbaar kan worden, ”zei senior auteur Dr. Benjamin Mills.
Er is dus nog hoop voor sommige van die exoplaneten.
Deze studie zal niet het laatste woord zijn. Maar het is een intrigerend resultaat, en als het standhoudt voor verder wetenschappelijk onderzoek, kan het een grote invloed hebben op hoe we de exoplaneten die we al hebben gevonden karakteriseren, en de duizenden meer die we zullen vinden met TESS en andere toekomstige telescopen voor het vinden van planeten.
Meer:
- Persbericht: het zuurstofdebat van de aarde nieuw leven inblazen
- Onderzoeksartikel: stapsgewijze zuurstofvoorziening van de aarde is een inherente eigenschap van wereldwijde biogeochemische cycli
- Artikel: Ademende atmosferen komen in het universum wellicht vaker voor dan we eerst dachten
- Research Paper (2014): De opkomst van zuurstof in de vroege oceaan en atmosfeer van de aarde
