Eines der noch ungelösten Rätsel der Erdgeschichte ist, wie der Planet vor Milliarden von Jahren mit Sauerstoff angereichert und atmungsaktiv wurde. Eine neue Studie besagt, dass der Schuldige möglicherweise die riesigen Felsplatten waren, aus denen die äußere Hülle der Erde besteht.
Während sich diese sogenannten Platten bewegten, hätten sie in einem als Plattentektonik bezeichneten Prozess kohlenstoffreiche Überreste toter Kreaturen unter anderen Platten vergraben, als sie darunter rutschten. Im Erdmantel unter der Kruste könnte der Kohlenstoff nicht mit Sauerstoff reagieren und diesen lebenswichtigen Bestandteil in der Atmosphäre belassen, sagten die Wissenschaftler.
Bis zum Great Oxygenation Event war die Atmosphäre des Planeten eine Mischung aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan. Dann, vor 2,5 Milliarden Jahren, begann eine Klasse einzelliger Kreaturen, dieses Kohlendioxid zu verwenden und Sauerstoff als Abfallprodukt zu produzieren. Aber Sauerstoff ist hochreaktiv; Reaktionen mit Oberflächengesteinen und Kohlenstoff, der aus den Überresten toter Organismen sickert, würden das Element schnell erschöpfen.
Kohlenstoff begraben
Die neue Studie von Megan Duncan und Rajdeep Dasgupta an der Rice University in Texas ging davon aus, dass der Kohlenstoff der toten Kreaturen unter die Erdkruste gedrückt oder abgezogen wurde, um Graphite und alte Diamanten zu bilden. Das Duo sagte, das große Oxygenierungsereignis sei teilweise auf den Beginn der "modernen" Plattentektonik zurückzuführen, bei der die Erdkruste in riesige Platten unterteilt ist, die kollidieren, drängeln und über und untereinander gleiten.
Der Prozess war effizient genug, dass der Kohlenstoff keine Zeit hatte, mit dem Sauerstoff zu reagieren, so dass der Sauerstoff - das Abfallprodukt all dieser frühen Kreaturen - in der Atmosphäre blieb und sich in der Nähe der heute beobachteten Werte ansammelte. Das Ergebnis: eine Atmosphäre, die zukünftigen Sauerstoffatmern zugänglich ist.
"Diese Arbeit begann mit der Betrachtung von Prozessen, die heute in Subduktionszonen stattfinden", sagte Duncan gegenüber Live Science. "Und dann frage ich mich, was in den alten Subduktionszonen passiert ist."
Duncan verwendete ein Computermodell der Atmosphäre, das eine Reaktion zwischen Kohlendioxid und Wasser zeigt. Wenn die beiden reagieren, bilden sie molekularen Sauerstoff (bestehend aus zwei Sauerstoffatomen) und Formaldehyd (eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff). Der Formaldehyd ist nicht unbedingt das, was Lebewesen tatsächlich produzieren würden; Es ist ein Ersatz für komplexere organische Kohlenstoffverbindungen, sagte Duncan.
Normalerweise ist diese Reaktion ausgeglichen; Der Sauerstoff kehrt zurück, um mehr Kohlendioxid (CO2) und Wasser zu erzeugen, wodurch eine Atmosphäre ohne Sauerstoff zurückbleibt. Hier kommt die Plattentektonik ins Spiel, sagten die Forscher. Laut der neuen Studie drückten die Drückerplatten den gesamten Formaldehyd unter die Erde und ließen die Luft mit mehr Sauerstoff zurück. Ohne den Formaldehyd, der die "ausgeglichene" chemische Reaktion antreibt, würde zusätzliches CO2 in der Atmosphäre verbleiben und den CO2-Atemgeräten helfen, zu gedeihen und noch mehr Sauerstoff als Abfall zu produzieren, fanden die Forscher in ihrem Computermodell.
Kohlenstoff in Schach halten
Um ihre Hypothese zu überprüfen, verwendeten die Forscher sowohl ältere Kohlenstoffmessungen in der alten Kruste als auch Laborexperimente. In einigen alten Diamanten gibt es zum Beispiel eine bestimmte Menge an Kohlenstoff-13, einem Kohlenstoffisotop, das in Geweben lebender Organismen vorkommt. Diese Daten zeigten, dass eine gewisse Menge organischen Kohlenstoffs eindeutig in den Erdmantel (unter der Erdkruste) gelangte, sagten die Forscher.
Die nächste Frage war, ob der Kohlenstoff dort bleiben würde. Duncan schmolz ein Stück Silikatglas und fügte Graphit hinzu. Das Glas simulierte die alte Kruste, und der Graphit stellte den Kohlenstoff von Organismen dar, sagte Duncan. Sie erhöhte dann den Druck und die Temperatur, beginnend bei etwa 14.800 Atmosphären Druck und erhöhte sie auf 29.000 Atmosphären (das sind etwa 435.000 Pfund pro Quadratzoll). Die Ergebnisse zeigten, dass sich Kohlenstoff unter den Bedingungen, die wahrscheinlich im frühen Erdmantel herrschen, im Gestein auflösen könnte, heißt es in der Studie. Das Ergebnis zeigte auch, dass der Kohlenstoff wahrscheinlich Millionen von Jahren unter der Kruste bleiben würde, bevor Vulkane ihn wieder ausstoßen, heißt es in der Studie.
Es wird nicht einfach sein, den genauen Mechanismus für das Great Oxygenation Event festzulegen, sagte Duncan, und wahrscheinlich waren mehrere Mechanismen beteiligt, nicht nur einer. Eine Herausforderung ist der Zeitpunkt, zu dem die Subduktion begann, sagte sie.
"Wenn die modernen plattentektonischen Prozesse immer in Aktion waren, funktioniert dies nicht", sagte Duncan. Andere Beweise scheinen zu zeigen, dass die frühe Erde anfangs möglicherweise keine Plattentektonik hatte und dass der Prozess später begann, fügte Duncan hinzu.
"Es hängt auch davon ab, wie viel organischer Kohlenstoff von der Oberfläche entfernt wurde", schrieb Duncan in einer E-Mail. "Wie viel organischer Kohlenstoff es in den Meeresboden geschafft hat (was wahrscheinlich von der Chemie der alten Ozeane abhängt). Wir wissen, dass es heute passiert. Wir können es messen. Wir sehen es in alten Felsen und möglicherweise in den Diamanten, also wir glauben, dass organischer Kohlenstoff in der gesamten Erdgeschichte vorhanden und abgezogen war. "
Das Problem sei, genau zu begrenzen, wie viel und wie schnell, sagte sie.
Tim Lyons, Professor für Biogeochemie an der University of California Riverside, stimmte zu, dass die Verknüpfung dieses Modells mit der bekannten Aufzeichnung in Gesteinen eine Herausforderung darstellt. "Eine meiner Fragen ist, ob diese Daten mit einem soliden Datensatz für die Geschichte der Subduktion verknüpft werden können", sagte Lyons.
"Es wurden viele Mechanismen vorgeschlagen, um die GOE zu verursachen. Keiner allein kann das Ausmaß des O2-Anstiegs, das aus den Aufzeichnungen hervorgeht, wiederherstellen", sagte Duncan. "Es war wahrscheinlich eine Kombination vieler dieser Mechanismen, einschließlich der Subduktion, die es ermöglichte, den O2-Spiegel zu erhöhen und für den Rest der Erdgeschichte aufrechtzuerhalten."
Die Studie erschien (25. April) in der Zeitschrift Nature Geoscience.
