L'atmosfera respirabile della Terra è fondamentale per la vita, e un nuovo studio suggerisce che il primo scoppio di ossigeno è stato aggiunto da un'ondata di eruzioni vulcaniche provocate dalla tettonica.

Lo studio dei geoscienziati della Rice University offre una nuova teoria per aiutare a spiegare la comparsa di concentrazioni significative di ossigeno nell'atmosfera terrestre circa 2,5 miliardi di anni fa, qualcosa che gli scienziati chiamano il Grande Evento di Ossidazione (GOE). La ricerca appare questa settimana in Geoscienze naturali .

"Ciò che lo rende unico è che non sta solo cercando di spiegare l'aumento dell'ossigeno, ", ha affermato l'autore principale dello studio James Eguchi, un borsista post-dottorato della NASA presso l'Università della California, Riverside che ha condotto il lavoro per il suo dottorato di ricerca. tesi di laurea in Riso. "Sta anche cercando di spiegare alcune geochimiche di superficie strettamente associate, un cambiamento nella composizione degli isotopi del carbonio, che si osserva nella roccia carbonatica registra un tempo relativamente breve dopo l'evento di ossidazione. Stiamo cercando di spiegare ognuno di quelli con un singolo meccanismo che coinvolge l'interno profondo della Terra, tettonica e un maggiore degasaggio dell'anidride carbonica dai vulcani".

I coautori di Eguchi sono Rajdeep Dasgupta, un geochimico sperimentale e teorico e professore nel Dipartimento della Terra di Rice, Scienze Ambientali e Planetarie, e Johnny Seales, uno studente laureato alla Rice che ha aiutato con i calcoli del modello che hanno convalidato la nuova teoria.

Gli scienziati hanno a lungo indicato nella fotosintesi, un processo che produce ossigeno di scarto, una probabile fonte di aumento dell'ossigeno durante il GOE. Dasgupta ha affermato che la nuova teoria non esclude il ruolo che i primi organismi fotosintetici, cianobatteri, giocato nel GOE.

"La maggior parte delle persone pensa che l'aumento dell'ossigeno sia stato collegato ai cianobatteri, e non hanno torto, " ha detto. "L'emergere di organismi fotosintetici potrebbe rilasciare ossigeno. Ma la domanda più importante è se i tempi di quell'emergenza si allineano con i tempi del Grande Evento di Ossidazione. Come risulta, loro non."

I cianobatteri erano vivi sulla Terra fino a 500 milioni di anni prima del GOE. Sebbene siano state proposte numerose teorie per spiegare perché potrebbe essere necessario così tanto tempo prima che l'ossigeno si manifestasse nell'atmosfera, Dasgupta ha affermato di non essere a conoscenza di nessuno che abbia cercato contemporaneamente di spiegare un marcato cambiamento nel rapporto degli isotopi di carbonio nei minerali di carbonato iniziato circa 100 milioni di anni dopo il GOE. I geologi lo chiamano Evento Lomagundi, e durò diverse centinaia di milioni di anni.

Un atomo di carbonio su cento è l'isotopo carbonio-13, e gli altri 99 sono carbonio-12. Questo rapporto da 1 a 99 è ben documentato nei carbonati che si sono formati prima e dopo Lomagundi, ma quelli formati durante l'evento hanno circa il 10% in più di carbonio-13.

Eguchi ha affermato che l'esplosione di cianobatteri associata al GOE è stata a lungo considerata un ruolo a Lomagundi.

"I cianobatteri preferiscono prendere il carbonio-12 rispetto al carbonio-13, " ha detto. "Quindi quando inizi a produrre più carbonio organico, o cianobatteri, poi il serbatoio da cui vengono prodotti i carbonati è impoverito di carbonio-12."

Eguchi ha detto che la gente ha provato a usare questo per spiegare Lomagundi, ma il tempismo era di nuovo un problema.

"Quando guardi effettivamente il record geologico, l'aumento del rapporto carbonio-13-carbonio-12 si verifica in realtà fino a 10 milioni di anni dopo l'aumento dell'ossigeno, " ha detto. "Quindi diventa difficile spiegare questi due eventi attraverso un cambiamento nel rapporto tra carbonio organico e carbonato".

Lo scenario Eguchi, Dasgupta e Seales sono arrivati ​​a spiegare tutti questi fattori è:

• Un drammatico aumento dell'attività tettonica ha portato alla formazione di centinaia di vulcani che hanno emesso anidride carbonica nell'atmosfera.
• Il clima si è riscaldato, aumento delle precipitazioni, che a sua volta ha aumentato "gli agenti atmosferici, "la scomposizione chimica dei minerali rocciosi negli aridi continenti della Terra.
• Gli agenti atmosferici hanno prodotto un deflusso ricco di minerali che si è riversato negli oceani, sostenere un boom sia di cianobatteri che di carbonati.
• Il carbonio organico e inorganico di questi si è depositato sul fondo del mare ed è stato infine riciclato nel mantello terrestre nelle zone di subduzione, dove le placche oceaniche vengono trascinate sotto i continenti.
• Quando i sedimenti si sono rifusi nel mantello, carbonio inorganico, ospitato in carbonati, tendeva ad essere rilasciato presto, rientrando nell'atmosfera attraverso vulcani ad arco direttamente sopra le zone di subduzione.
• carbonio organico, che conteneva pochissimo carbonio-13, è stato attratto in profondità nel mantello ed è emerso centinaia di milioni di anni dopo come anidride carbonica dai vulcani hotspot dell'isola come le Hawaii.

"È una specie di grande processo ciclico, Eguchi ha detto. "Pensiamo che la quantità di cianobatteri sia aumentata circa 2,4 miliardi di anni fa. Quindi questo guiderebbe il nostro aumento di ossigeno. Ma l'aumento dei cianobatteri è bilanciato dall'aumento dei carbonati. Quindi il rapporto carbonio-12/carbonio-13 non cambia finché sia ​​i carbonati che il carbonio organico, dai cianobatteri, ottenere subdotti in profondità nella Terra. Quando lo fanno, entra in gioco la geochimica, facendo sì che queste due forme di carbonio risiedano nel mantello per diversi periodi di tempo. I carbonati vengono rilasciati molto più facilmente nei magmi e vengono rilasciati in superficie in un periodo molto breve. Lomagundi inizia quando il primo carbonio arricchito di carbonio-13 dai carbonati ritorna in superficie, e termina quando il carbonio organico arricchito di carbonio-12 ritorna molto più tardi, riequilibrare il rapporto”.

Eguchi ha affermato che lo studio sottolinea l'importanza del ruolo che i processi profondi della Terra possono svolgere nell'evoluzione della vita in superficie.

"Stiamo proponendo che le emissioni di anidride carbonica siano molto importanti per questa proliferazione della vita, "Ha detto. "Si sta davvero cercando di collegare il modo in cui questi processi più profondi hanno influenzato la vita di superficie sul nostro pianeta in passato".

Dasgupta è anche il principale investigatore di uno sforzo finanziato dalla NASA chiamato CLEVER Planets che sta esplorando come gli elementi essenziali per la vita potrebbero unirsi su esopianeti distanti. Ha detto che una migliore comprensione di come la Terra è diventata abitabile è importante per studiare l'abitabilità e la sua evoluzione su mondi lontani.

"Sembra che la storia della Terra richieda che la tettonica svolga un ruolo importante nell'abitabilità, ma ciò non significa necessariamente che la tettonica sia assolutamente necessaria per l'accumulo di ossigeno, " ha detto. "Potrebbero esserci altri modi per costruire e sostenere l'ossigeno, ed esplorarli è una delle cose che stiamo cercando di fare in CLEVER Planets."