Een van de nog onopgeloste mysteries over de geschiedenis van de aarde is hoe de planeet miljarden jaren geleden zuurstofrijk en ademend werd. Nu zegt een nieuwe studie dat de boosdoener mogelijk de gigantische rotsplaten zijn geweest die de buitenste schil van de aarde vormen.
Terwijl deze zogenaamde platen bewogen, zouden ze in een proces dat platentektoniek wordt genoemd, koolstofrijke overblijfselen van dode wezens onder andere platen hebben begraven terwijl ze eronder gleden. In de aardmantel, onder de korst, zou de koolstof niet met zuurstof kunnen reageren en dit essentiële ingrediënt in de atmosfeer achterlaten, aldus de wetenschappers.
Tot de grote zuurstofgebeurtenis was de atmosfeer van de planeet een mix van stikstof, kooldioxide, waterdamp en methaan. Toen, 2,5 miljard jaar geleden, begon een klasse eencellige wezens die kooldioxide te gebruiken en zuurstof te produceren als afvalproduct. Maar zuurstof is zeer reactief; reacties met oppervlaktesteen en koolstof dat uit de overblijfselen van dode organismen sijpelt, zouden het element snel uitputten.
Koolstof begraven
De nieuwe studie van Megan Duncan en Rajdeep Dasgupta aan de Rice University in Texas stelde dat de koolstof van de dode wezens onder de aardkorst werd geduwd of onderdrukt om grafieten en oude diamanten te vormen. Als zodanig, aldus het duo, werd de Grote Zuurstofgebeurtenis gedeeltelijk gedreven door het begin van "moderne" platentektoniek, waarbij de aardkorst is verdeeld in enorme platen die tegen elkaar botsen, verdringen en over elkaar schuiven.
Het proces was efficiënt genoeg dat de koolstof geen tijd had om met de zuurstof te reageren, dus de zuurstof - het afvalproduct van al die vroege wezens - bleef in de atmosfeer en verzamelde zich tot bijna het niveau dat we tegenwoordig zien. Het resultaat: een atmosfeer die geschikt is voor toekomstige zuurstofademhalingstoestellen.
"Dit werk begon met het overwegen van processen die tegenwoordig plaatsvinden in subductiezones," vertelde Duncan aan WordsSideKick.com. 'En me dan afvragen wat er in de oude subductiezones is gebeurd.'
Duncan gebruikte een computermodel van de atmosfeer dat een reactie liet zien tussen kooldioxide en water. Wanneer de twee reageren, maken ze moleculaire zuurstof (bestaande uit twee zuurstofatomen) en formaldehyde (een verbinding die bestaat uit koolstof, waterstof en zuurstof). Het formaldehyde is niet per se wat levende wezens eigenlijk zouden produceren; het is een vervanger voor complexere organische koolstofverbindingen, zei Duncan.
Gewoonlijk is die reactie evenwichtig; de zuurstof keert terug om meer koolstofdioxide (CO2) en water te maken, waardoor een atmosfeer zonder zuurstof achterblijft. Dat is waar de platentektoniek binnenkomt, aldus de onderzoekers. Volgens de nieuwe studie duwden de duwplaten alle formaldehyde ondergronds, waardoor de lucht met meer zuurstof achterbleef. Ondertussen, zonder het formaldehyde dat de "gebalanceerde" chemische reactie aandrijft, zou er extra CO2 in de atmosfeer blijven, waardoor de CO2-ontluchters zouden gedijen en nog meer zuurstof als afval zouden produceren, vonden de onderzoekers in hun computermodel.
Koolstof onder controle houden
Om hun hypothese te controleren, gebruikten de onderzoekers zowel oudere metingen van koolstof in de oude korst als laboratoriumexperimenten. In sommige oude diamanten zit bijvoorbeeld een bepaalde hoeveelheid koolstof-13, een koolstofisotoop die wordt aangetroffen in weefsels van levende organismen. Die gegevens toonden aan dat een bepaalde hoeveelheid organische koolstof duidelijk de mantel bereikte (onder de aardkorst), aldus de onderzoekers.
De volgende vraag was of de koolstof daar zou blijven. Duncan smolt een stuk silicaatglas en voegde er grafiet aan toe. Het glas simuleerde de oude korst en het grafiet vertegenwoordigde de koolstof van organismen, zei Duncan. Vervolgens verhoogde ze de druk en temperatuur, beginnend bij ongeveer 14.800 atmosfeer druk en toenemend tot 29.000 atmosfeer (dat is ongeveer 435.000 pond per vierkante inch). De resultaten toonden aan dat koolstof zou kunnen oplossen in gesteente onder de omstandigheden die waarschijnlijk aanwezig zijn in de vroege aardmantel, aldus de studie. Het resultaat toonde ook aan dat de koolstof waarschijnlijk miljoenen jaren onder de korst zou blijven voordat vulkanen het weer zouden laten boeten, aldus de studie.
Het exacte mechanisme vastleggen voor het Great Oxygenation Event zal niet gemakkelijk zijn, zei Duncan, en waarschijnlijk waren er verschillende mechanismen bij betrokken, niet slechts één. Een uitdaging is de tijdlijn van wanneer de subductie is begonnen, zei ze.
'Als de moderne platentektonische processen altijd in actie zijn geweest, werkt dit niet', zei Duncan. Andere bewijzen lijken aan te tonen dat de vroege aarde aanvankelijk misschien geen platentektoniek had en dat het proces later begon, voegde Duncan eraan toe.
'Het hangt er ook van af hoeveel organische koolstof van het oppervlak is verwijderd', schreef Duncan in een e-mail. 'Hoeveel organische koolstof de oceaanbodem heeft bereikt (wat waarschijnlijk afhangt van de oude oceaanchemie). We weten dat het vandaag gebeurt. We kunnen eropuit gaan om het te meten. We zien het in oude rotsen en mogelijk in de diamanten, dus we zijn van mening dat organische koolstof aanwezig en afgevoerd werd gedurende de hele geschiedenis van de aarde. "
Het probleem is het stellen van exacte grenzen aan hoeveel en hoe snel, zei ze.
Tim Lyons, professor biogeochemie aan de University of California Riverside, was het ermee eens dat het een uitdaging is om dit model te koppelen aan het bekende record in rotsen. 'Een van mijn vragen is of die gegevens kunnen worden gekoppeld aan een robuust record voor de geschiedenis van subductie', zei Lyons.
"Er zijn veel mechanismen voorgesteld om de GOE te veroorzaken; geen enkele op zichzelf kan de omvang van de O2-stijging die wordt waargenomen uit het record opnieuw creëren", zei Duncan. "Het was waarschijnlijk een combinatie van veel van deze mechanismen, waaronder subductie, waardoor de O2-niveaus konden stijgen en behouden voor de rest van de geschiedenis van de aarde."
De studie verscheen (25 april) in het tijdschrift Nature Geoscience.
