Jednou z dosud nevyřešených záhad o historii Země je to, jak se planeta okysličila a prodyšně před miliardami let. Nová studie nyní říká, že viníkem mohou být obří skalní desky, které tvoří vnější skořepinu Země.
Když se tyto takzvané talíře pohybovaly, v procesu zvaném talířová tektonika by pohřbily zbytky mrtvých tvorů bohaté na uhlík pod jinými deskami, když se klouzaly pod nimi. V zemském plášti, pod kůrou, by uhlík nebyl schopen reagovat s kyslíkem a ponechal tuto životně důležitou složku v atmosféře, uvedli vědci.
Až do Velké kyslíkové události byla atmosféra planety směsí dusíku, oxidu uhličitého, vodní páry a metanu. Poté, před 2,5 miliardami let, začala třída jediných celulárních tvorů používat tento oxid uhličitý a produkovat kyslík jako odpadní produkt. Ale kyslík je vysoce reaktivní; reakce s povrchovými horninami a prosakováním uhlíku ze zbytků mrtvých organismů by prvek rychle vyčerpaly.
Pohřbívání uhlíku
Nová studie Megan Duncan a Rajdeep Dasgupta na Rice University v Texasu předpokládala, že uhlík z mrtvých tvorů se dostal pod zemskou kůru nebo byl utlumen, aby vytvořil grafity a staré diamanty. Duo uvedlo, že velká událost kyslíku byla částečně poháněna začátkem „moderní“ tektoniky talířů, ve které je zemská kůra rozdělena na obrovské talíře, které se srazí, trhají a klouže nad sebou a pod sebou.
Proces byl natolik účinný, že uhlík neměl čas reagovat s kyslíkem, takže kyslík - odpadní produkt všech těchto raných tvorů - zůstal v atmosféře a nahromadil se téměř na úroveň, která je dnes vidět. Výsledek: atmosféra přístupná budoucím kyslíkům.
"Tato práce začala tím, že zvažuje procesy, které se dnes odehrávají v subdukčních zónách," řekl Duncan Live Science. "A pak přemýšlel, co se stalo ve starodávných tlumících zónách."
Duncan použil počítačový model atmosféry ukazující reakci mezi oxidem uhličitým a vodou. Když dva reagují, vytvářejí molekulární kyslík (složený ze dvou atomů kyslíku) a formaldehyd (sloučenina složená z uhlíku, vodíku a kyslíku). Formaldehyd nemusí být nutně tím, co by živá zvířata ve skutečnosti produkovala; je to stand-in pro složitější organické sloučeniny uhlíku, řekl Duncan.
Tato reakce je obvykle vyvážená; kyslík cykluje zpět, aby vytvořil více oxidu uhličitého (CO2) a vodu, čímž zanechala atmosféru zbavenou kyslíku. Tam přicházejí tektonické desky, říkali vědci. Podle nové studie jostlingové talíře tlačily veškerý formaldehyd do podzemí a zanechávaly vzduch s větším množstvím kyslíku. Mezitím, aniž by formaldehyd řídil „vyváženou“ chemickou reakci, v atmosféře by zůstal další CO2, což by pomohlo těm, kteří CO2 dýchají, prospívat a produkovat ještě více kyslíku jako odpadu, zjistili vědci ve svém počítačovém modelu.
Udržování uhlíku pod kontrolou
K ověření jejich hypotézy vědci použili jak starší měření uhlíku ve starověké kůře, tak laboratorní experimenty. Například u některých starodávných diamantů existuje určité množství uhlíku-13, uhlíkového izotopu nalezeného v tkáních živých organismů. Tato data ukázala, že určité množství organického uhlíku se zřetelně dostalo do pláště (pod zemskou kůru), uvedli vědci.
Další otázkou bylo, zda by tam uhlík zůstal. Duncan roztavil kus křemičitého skla a přidal do něj grafit. Sklo simulovalo starou kůru a grafit představoval uhlík z organismů, řekl Duncan. Poté zvýšila tlak a teplotu, počínaje asi 14 800 atmosférami tlaku a zvýšením na 29 000 atmosfér (to je asi 435 000 liber na čtvereční palec). Výsledky ukázaly, že uhlík se může rozpouštět ve skále za podmínek, které se pravděpodobně vyskytují v časném zemském plášti. Výsledek také ukázal, že uhlík pravděpodobně zůstane pod kůží miliony let, než ho sopky znovu vypuknou, uvedla studie.
Duncan řekl přesný mechanismus pro Velkou kyslíkovou událost nebude snadný, řekl Duncan a pravděpodobně to zahrnovalo několik mechanismů, nejen jeden. Jednou z výzev je časová osa, kdy začal subduction, řekla.
„Pokud byly moderní deskové tektonické procesy vždy v akci, nefunguje to,“ řekl Duncan. Zdá se, že jiné linie důkazů ukazují, že časná Země možná neměla zpočátku tektoniku desek a že proces začal později, dodal Duncan.
„Záleží také na tom, kolik organického uhlíku bylo z povrchu odstraněno,“ napsal Duncan v e-mailu. „Kolik organického uhlíku se dostalo do mořského dna (což pravděpodobně závisí na starověké chemii oceánů). Víme, že se to stane dnes. Můžeme to jít a změřit to. Vidíme to ve starověkých skalách a případně v diamantech, takže věří, že organický uhlík byl přítomen a tlumen v celé historii Země. “
Problém spočívá v stanovení přesných limitů, kolik a jak rychle, řekla.
Tim Lyons, profesor biogeochemie na University of California California Riverside, souhlasil, že propojení tohoto modelu se známým záznamem ve skalách je výzvou. "Jednou z mých otázek je, zda tato data mohou být svázána s robustním záznamem o historii subdukcí," řekl Lyons.
"Bylo navrženo mnoho mechanismů, které způsobují GOE; žádný sám o sobě nemůže znovu vytvořit velikost nárůstu O2, která je pozorována ze záznamu," řekl Duncan. "Pravděpodobně kombinace mnoha z těchto mechanismů, včetně subduction, umožnila zvyšování a udržování hladin O2 po zbytek historie Země."
Studie se objevila (25. dubna) v časopise Nature Geoscience.
