Една от все още неразгаданите загадки за историята на Земята е как планетата стана кислородна и дишаща преди милиарди години. Сега ново проучване казва, че виновник може би са били гигантските скални плочи, които изграждат външната обвивка на Земята.
Докато тези т. Нар. Плочи се движеха, в процес, наречен тектоника на плочите, те щяха да заровят богати на въглерод останки от мъртви същества под други плочи, докато се плъзгат отдолу. В земната мантия, под кора, въглеродът няма да може да реагира с кислорода, оставяйки тази жизненоважна съставка в атмосферата, казват учените.
До Голямото събитие за окисляване атмосферата на планетата беше смесица от азот, въглероден диоксид, водна пара и метан. Тогава, преди 2,5 милиарда години, клас едноклетъчни същества започнаха да използват този въглероден диоксид и да произвеждат кислород като отпадъчен продукт. Но кислородът е силно реактивен; реакции с повърхностни скали и изглеждане на въглерод от останките на мъртви организми бързо биха изчерпали стихията.
Погребване на въглерод
Новото проучване на Меган Дънкан и Радждейп Дасгупта от Университета Райс в Тексас показа, че въглеродът от мъртвите същества е изтласкан под земната кора или погълнат, за да образува графити и древни диаманти. Като такова, каза дуото, Голямото събитие за оксигениране отчасти беше задвижвано от началото на „модерната“ тектоника на плочите, в която земната кора е разделена на огромни плочи, които се сблъскват, блъскат и се плъзгат една и друга под една.
Процесът беше достатъчно ефективен, че въглеродът нямаше време да реагира с кислорода, така че кислородът - отпадният продукт на всички тези ранни създания - остана в атмосферата и се натрупа близо до нивата, наблюдавани днес. Резултатът: атмосфера, благоприятна за бъдещите дишачи с кислород.
„Тази работа започна с разглеждане на процеси, които се случват в зоните на субдукция днес“, заяви Дънкан пред Live Science. "И тогава се чудя какво се е случило в древните зони на субдукция."
Дънкан използва компютърен модел на атмосферата, показващ реакция между въглероден диоксид и вода. Когато двете реагират, те правят молекулен кислород (съставен от два кислородни атома) и формалдехид (съединение, съставено от въглерод, водород и кислород). Формалдехидът не е непременно това, което всъщност биха произвели живите същества; Дънкан каза, че това е готовност за по-сложни органични въглеродни съединения.
Обикновено тази реакция е балансирана; кислородът циклизира обратно, за да направи повече въглероден диоксид (CO2) и вода, оставяйки атмосфера лишена от кислород. Оттам идват тектониците на плочите, казаха изследователите. Според новото проучване, дръжките плочи изтласкват целия формалдехид под земята, оставяйки въздуха с повече кислород. Междувременно, без формалдехидът да задейства "балансираната" химическа реакция, допълнителният CO2 ще остане в атмосферата, помагайки на дихателните газове с CO2 да процъфтяват и да произвеждат още повече кислород като отпадъци, откриха изследователите в техния компютърен модел.
Поддържане на въглерод в проверка
За да проверят хипотезата си, изследователите са използвали както по-стари измервания на въглерод в древните кори, така и лабораторни експерименти. В някои древни диаманти например има определено количество въглерод-13, въглероден изотоп, открит в тъканите на живите организми. Тези данни показват, че известно количество органичен въглерод ясно го е навлязъл в мантията (под земната кора), казват изследователите.
Следващият въпрос беше дали въглеродът ще остане там. Дънкан разтопи парче силикатно стъкло и добави към него графит. Стъклото симулира древната кора, а графитът представлява въглерода от организмите, каза Дънкан. След това тя увеличи налягането и температурата, започвайки от около 14 800 атмосфери налягане и го увеличи до 29 000 атмосфери (това е около 435 000 паунда на квадратен инч). Резултатите показват, че въглеродът може да се разтвори в скала при условия, вероятно присъстващи в растителната мантия, каза проучването. Резултатът също показа, че въглеродът вероятно ще остане под кора в продължение на милиони години, преди вулканите да го изгонят отново, се казва в проучването.
Дънкан каза, че може да се окаже, че точният механизъм за Голямото събитие за оксигениране няма да бъде лесен, а той вероятно включва няколко механизма, не само един. Едно от предизвикателствата е времевата граница на времето, когато е започнало поглъщането, каза тя.
"Ако съвременните тектонски процеси на плочите винаги са били в действие, това не работи", каза Дънкан. Други доказателства показват, че ранната Земя може да не е имала тектоника на плочите първоначално и че процесът е започнал по-късно, добави Дънкан.
"Зависи и от това колко органичен въглерод е отстранен от повърхността", пише Дънкан в имейл. "Колко органичен въглерод го е докарал до океанското дъно (което вероятно зависи от древната химия на океана). Знаем, че се случва днес. Можем да излезем и да го измерим. Виждаме го в древни скали и потенциално в диамантите, така че ние вярваме, че органичният въглерод е присъствал и потиснат в цялата земна история. "
Проблемът е в поставянето на точни граници за това колко и колко бързо, каза тя.
Тим Лайънс, професор по биогеохимия в Университета на Калифорния Ривърсайд, се съгласи, че свързването на този модел с известния запис в скалите е предизвикателство. "Един от въпросите ми е дали тези данни могат да бъдат обвързани с надежден запис за историята на поглъщането", каза Лионс.
"Предлагат се много механизми, които да предизвикат GOE; никой сам по себе си не може да създаде отново увеличението на O2, което се наблюдава от записа", каза Дънкан. "Вероятно комбинация от много от тези механизми, включително понижаване, позволи нивата на O2 да се повишат и да се поддържат до края на земната история."
Проучването се появи (25 април) в списанието Nature Geoscience.
