Одна из неразгаданных загадок в истории Земли заключается в том, как планета стала оксигенированной и дышащей миллиарды лет назад. Теперь, новое исследование говорит, что виновником, возможно, были гигантские каменные плиты, которые составляют внешнюю оболочку Земли.
По мере того как эти так называемые плиты перемещались, в процессе, называемом тектоникой плит, они могли закапывать богатые углеродом останки мертвых существ под другими плитами, когда скользили под ними. По словам ученых, в земной мантии под корой углерод не сможет реагировать с кислородом, оставляя этот жизненно важный компонент в атмосфере.
До Великого события оксигенации атмосфера планеты представляла собой смесь азота, углекислого газа, водяного пара и метана. Затем, 2,5 миллиарда лет назад, класс одноклеточных существ начал использовать этот углекислый газ и производить кислород в качестве отходов. Но кислород очень реактивен; реакции с поверхностными породами и углеродом, просачивающимся из остатков мертвых организмов, быстро истощают этот элемент.
Хоронить углерод
Новое исследование, проведенное Меган Дункан и Радждипом Дасгуптой в Университете Райса в Техасе, установило, что углерод от мертвых существ выталкивался под земную кору или подвергался субдукции, образуя графиты и древние алмазы. Таким образом, по словам дуэта, Великое событие оксигенации было отчасти вызвано началом «современной» тектоники плит, в которой земная кора разделена на огромные плиты, которые сталкиваются, толкаются и скользят друг над другом.
Процесс был достаточно эффективным, чтобы углерод не успел вступить в реакцию с кислородом, поэтому кислород - ненужный продукт всех этих ранних созданий - остался в атмосфере и накапливался до уровня, наблюдаемого сегодня. Результат: атмосфера, подходящая для будущих людей, дышащих кислородом.
«Эта работа началась с рассмотрения процессов, которые происходят сегодня в зонах субдукции», - сказал Дункан в интервью Live Science. «А потом интересно, что произошло в древних зонах субдукции».
Дункан использовал компьютерную модель атмосферы, показывающую реакцию между углекислым газом и водой. Когда оба реагируют, они образуют молекулярный кислород (состоящий из двух атомов кислорода) и формальдегид (соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода). Формальдегид не обязательно то, что на самом деле производят живые существа; «Это замена для более сложных органических соединений углерода», - сказал Дункан.
Обычно эта реакция сбалансирована; Кислород циркулирует обратно, образуя больше углекислого газа (CO2) и воды, оставляя атмосферу, лишенную кислорода. Это то место, где появляется тектоника плит, говорят исследователи. Согласно новому исследованию, толкающиеся пластины выталкивали весь формальдегид под землю, оставляя в воздухе больше кислорода. Между тем, без формальдегида, приводящего в движение «сбалансированную» химическую реакцию, в атмосфере останется дополнительный CO2, что поможет дыхательным центрам CO2 процветать и производить еще больше кислорода в виде отходов, обнаружили исследователи в своей компьютерной модели.
Держать углерод под контролем
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи использовали как более старые измерения углерода в древней коре, так и лабораторные эксперименты. Например, в некоторых древних алмазах есть определенное количество углерода-13, изотоп углерода, обнаруженный в тканях живых организмов. Эти данные показали, что некоторое количество органического углерода явно попало в мантию (под земной корой), утверждают исследователи.
Следующий вопрос состоял в том, останется ли углерод там. Дункан расплавил кусок силикатного стекла и добавил к нему графит. По словам Дункана, стекло имитировало древнюю кору, а графит представлял собой углерод из организмов. Затем она увеличила давление и температуру, начиная с 14 800 атмосфер и увеличивая ее до 29000 атмосфер (это примерно 435000 фунтов на квадратный дюйм). Результаты показали, что углерод может растворяться в породе в условиях, которые, вероятно, присутствуют в ранней мантии Земли, говорится в исследовании. Результаты также показали, что углерод, вероятно, оставался под корой в течение миллионов лет, прежде чем вулканы снова сожгли ее, говорится в исследовании.
Дункан сказал, что определить точный механизм Великого события оксигенации будет непросто, и, вероятно, в нем задействовано несколько механизмов, а не один. Одной из проблем является график начала субдукции, сказала она.
«Если современные тектонические процессы на платформе всегда были в действии, это не работает», - сказал Дункан. Другие линии доказательств, кажется, показывают, что на ранней Земле, возможно, изначально не было тектоники плит и что процесс начался позже, добавил Дункан.
«Это также зависит от того, сколько органического углерода было удалено с поверхности», - написал Дункан в электронном письме. «Сколько органического углерода попало на дно океана (что, вероятно, зависит от древней химии океана). Мы знаем, что это происходит сегодня. Мы можем выйти и измерить его. Мы видим это в древних породах и, возможно, в алмазах, поэтому мы полагаю, что органический углерод присутствовал и подавлялся на протяжении всей истории Земли ".
По ее словам, проблема в том, чтобы установить точные ограничения на количество и скорость.
Тим Лайонс, профессор биогеохимии в Калифорнийском университете в Риверсайде, согласился с тем, что связать эту модель с известными данными о породах является сложной задачей. «Один из моих вопросов заключается в том, можно ли привязать эти данные к надежной записи истории субдукции», - сказал Лайонс.
«Было предложено много механизмов, позволяющих вызвать GOE; ни один из них сам по себе не может воссоздать величину увеличения O2, наблюдаемую в записи», - сказал Дункан. «Вероятно, это была комбинация многих из этих механизмов, включая субдукцию, которая позволяла уровням O2 повышаться и поддерживаться на протяжении всей истории Земли».
Исследование появилось (25 апреля) в журнале Nature Geoscience.
