Ziemia prawie straciła cały tlen 2,3 miliarda lat temu

Zgodnie z nowymi badaniami, przejście Ziemi do stałego utrzymywania natlenionej atmosfery trwało 100 milionów lat dłużej niż wcześniej sądzono.

Kiedy Ziemia uformowała się 4,5 miliarda lat temu, atmosfera prawie nie zawierała tlenu. Ale 2,43 miliarda lat temu coś się wydarzyło: poziom tlenu zaczął wzrastać, a następnie spadać, czemu towarzyszyły ogromne zmiany klimatyczne, w tym kilka zlodowacenia, które mogły pokryć cały glob lodem.

Sygnatury chemiczne zamknięte w skałach, które powstały w tej epoce, sugerowały, że 2,32 miliarda lat temu tlen był trwałym składnikiem atmosfery planety.

Jednak nowe badanie dotyczące okresu wcześniejszego niż 2,32 miliarda lat temu wykazało, że poziom tlenu wciąż wahał się w tę i z powrotem, aż do 2,22 miliarda lat temu, kiedy planeta w końcu osiągnęła stały punkt krytyczny. Te nowe badania, opublikowane w czasopiśmie Nature 29 marca, wydłużają czas trwania tego, co naukowcy nazywają katastrofą tlenową (Great Oxidation Event) o 100 milionów lat. Nowe badanie może to również potwierdzić związek między natlenieniem a ogromnymi wahaniami klimatu.

Ustanowienie tlenu

Tlen wytworzony podczas katastrofy tlenowej został wyprodukowany przez cyjanobakterie morskie, rodzaj bakterii wytwarzających energię poprzez fotosyntezę. Głównym produktem ubocznym fotosyntezy jest tlen, a wczesne cyjanobakterie ostatecznie wyprodukowały wystarczającą ilość tlenu, aby na zawsze zmienić oblicze planety.

Sygnatura tej zmiany jest widoczna w morskich skałach osadowych. W atmosferze beztlenowej skały te zawierają pewne rodzaje izotopów siarki. (Izotopy to pierwiastki o różnej liczbie neutronów w swoich jądrach). Kiedy gwałtownie wzrasta tlen, te izotopy siarki znikają, ponieważ reakcje chemiczne, które je tworzą, nie zachodzą w obecności tlenu.

Bekker i jego koledzy od dawna badają sygnały izotopów siarki. Wraz z innymi badaczami zauważyli, że wzrost i spadek poziomu tlenu w atmosferze zdawał się odpowiadać trzem globalnym zlodowaceniom, które miały miejsce między 2,5 a 2,2 miliarda lat temu. Ale co dziwne, czwarte i ostatnie zlodowacenie w tym okresie nie było powiązane z wahaniami poziomu tlenu w atmosferze.

Badacze byli zdziwieni, powiedział Bekker. “Dlaczego mamy cztery zdarzenia lodowcowe, a trzy z nich można powiązać i wyjaśnić za pomocą zmian atmosferycznego tlenu, ale czwarte z nich jest niezależne?”

Aby się tego dowiedzieć, naukowcy zbadali młodsze skały z Afryki Południowej. Te morskie skały pokrywają się z późniejszą część katastrofy tlenowej – od trzeciego zlodowacenia do około 2,2 miliarda lat temu.

Biogeochemik Simon Poulton, po lewej, rozpyla wodę na rdzeń wiertniczy, aby zobaczyć skały osadowe i wybrać próbki do badań. (Zdjęcie: Andrey Bekker / UCR)

Okazało się, że po trzecim zlodowaceniu atmosfera była początkowo wolna od tlenu, następnie tlen wzrósł i ponownie opadł. Tlen wzrósł ponownie o 2,32 miliarda lat temu – w momencie, w którym naukowcy wcześniej sądzili, że wzrost jest trwały. Ale w młodszych skałach Bekker i jego koledzy ponownie wykryli spadek poziomu tlenu. Ten spadek zbiegła się z ostatnim zlodowaceniem, które wcześniej nie było związane ze zmianami atmosferycznymi.

„Tlen atmosferyczny w tym wczesnym okresie był bardzo niestabilny i osiągnął stosunkowo wysoki poziom, a następnie spadł do bardzo niskiego poziomu” – powiedział Bekker. „To jest coś, czego nie spodziewaliśmy się aż do ostatnich 4 lub 5 lat [badań]”.

Cyjanobakterie a wulkany

Naukowcy wciąż zastanawiają się, co spowodowało te wszystkie fluktuacje, ale mają pewne pomysły. Jednym z kluczowych czynników jest metan, gaz cieplarniany, który zatrzymuje ciepło skuteczniej niż dwutlenek węgla.

Dzisiaj metan odgrywa niewielką rolę w globalnym ociepleniu w porównaniu z dwutlenkiem węgla, ponieważ metan reaguje z tlenem i znika z atmosfery w ciągu około dziesięciu lat, podczas gdy dwutlenek węgla utrzymuje się przez setki lat. Ale kiedy w atmosferze było mało tlenu lub nie było go wcale, metan działał znacznie dłużej i działał jako ważniejszy gaz cieplarniany.

Zatem sekwencja natleniania i zmian klimatycznych mogła wyglądać mniej więcej tak: cyjanobakterie zaczęły wytwarzać tlen, który w tym czasie reagował z metanem w atmosferze, pozostawiając jedynie dwutlenek węgla. Ten dwutlenek węgla nie był dostatecznie obfity, aby zrekompensować ocieplający efekt utraconego metanu, więc planeta zaczęła się ochładzać. Lodowce rozszerzyły się, a powierzchnia planety stała się lodowata i zimna.

Jednak planety przed permanentnym głębokim zamarznięciem uratowały wulkany subglacjalne. Aktywność wulkaniczna ostatecznie spowodowała wzrost poziomu dwutlenku węgla na tyle wysoki, że spowodowało to ponowne ogrzanie planety. I podczas gdy produkcja tlenu w oceanach pokrytych lodem była opóźniona z powodu mniejszego nasłonecznienia cyjanobakterii, metan z wulkanów i mikroorganizmów ponownie zaczął gromadzić się w atmosferze, jeszcze bardziej ją podgrzewając.

Poziomy dwutlenku węgla miały inny poważny wpływ. Gdy dwutlenek węgla reaguje z wodą deszczową, tworzy kwas węglowy, który rozpuszcza skały szybciej niż woda deszczowa o neutralnym pH. To szybsze wietrzenie skał dostarcza do oceanów więcej składników odżywczych, takich jak fosfor. Ponad 2 miliardy lat temu taki napływ składników odżywczych doprowadziłby morskie cyjanobakterie wytwarzające tlen do produktywnego szaleństwa, ponownie zwiększając poziom tlenu w atmosferze, obniżając poziom metanu i rozpoczynając od nowa cały cykl.

Ostatecznie kolejna zmiana geologiczna przerwała ten cykl natleniania i zlodowacenia. Wydaje się, że wzorzec skończył się około 2,2 miliarda lat temu, kiedy zapis skalny wskazuje na wzrost ilości węgla organicznego, co sugeruje, że organizmy fotosyntetyczne przeżywały rozkwit. Nikt nie wie dokładnie, co spowodowało ten punkt krytyczny, chociaż Bekker i jego współpracownicy wysuwają hipotezę, że aktywność wulkaniczna w tym okresie zapewniła nowy dopływ składników odżywczych do oceanów, ostatecznie dając cyjanobakteriom wszystko, czego potrzebowały do ​​rozwoju. Bekker powiedział, że w tym momencie poziom tlenu był wystarczająco wysoki, aby trwale stłumić nadmierny wpływ metanu na klimat, a dwutlenek węgla pochodzący z aktywności wulkanicznej i innych źródeł stał się dominującym gazem cieplarnianym utrzymującym ciepło na planecie.

Bekker powiedział, że istnieje wiele innych “sekwencji skał” z tej epoki na całym świecie, w tym w zachodniej Afryce, Ameryce Północnej, Brazylii, Rosji i na Ukrainie. Powiedział, że te starożytne skały wymagają więcej badań, aby odkryć, jak działały wczesne cykle natlenienia, a zwłaszcza aby zrozumieć, jak wzrosty i spadki poziomu tlenu wpłynęły na życie planety.

Źródło: Stephanie Pappas

A 200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation

Timing and tempo of the Great Oxidation Event

Zdjęcie: NASA/Michael Studinger

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x