Rice University petrologer som återskapade heta, högtrycksförhållanden från 60 miles under jordens yta har hittat en ny ledtråd om en avgörande händelse i planetens djupa förflutna.

Deras studie beskriver hur fossiliserat kol - resterna av jordens tidigaste encelliga varelser - kunde ha subsumerats och låsts djupt i jordens inre med början för cirka 2,4 miljarder år sedan - en tid då atmosfäriskt syre steg dramatiskt. Tidningen publiceras online denna vecka i tidningen Naturgeovetenskap .

"Det är ett intressant koncept, men för att komplext liv ska utvecklas, den tidigaste formen av liv behövde vara djupt begravd i planetens mantel, sa Rajdeep Dasgupta, professor i geovetenskap vid Rice. "Mekanismen för den begravningen består av två delar. För det första, du behöver någon form av plattektonik, en mekanism för att transportera kolrester från tidiga livsformer tillbaka till jorden. Andra, du behöver rätt geokemi så att organiskt kol kan transporteras djupt in i jordens inre och därigenom avlägsnas från ytmiljön under lång tid."

Det handlar om vad som orsakade den "stora oxidationshändelsen, " en brant ökning av atmosfäriskt syre som är väldokumenterad i otaliga gamla bergarter. Händelsen är så välkänd för geologer att de ofta helt enkelt refererar till den som "GOE." Men trots denna förtrogenhet, det finns ingen vetenskaplig konsensus om vad som orsakade GOE. Till exempel, forskare känner till jordens tidigaste kända liv, encelliga cyanobakterier, drog ner koldioxid från atmosfären och släppte ut syre. Men uppkomsten av tidigt liv har drivits längre och längre in i det förflutna med nya fossila upptäckter, och forskare vet nu att cyanobakterier var vanliga minst 500 miljoner år före GOE.

"Cyanobakterier kan ha spelat en roll, men GOE var så dramatisk - syrekoncentrationen ökade så mycket som 10, 000 gånger - att cyanobakterier i sig inte kunde förklara det, " sa huvudförfattaren Megan Duncan, som utförde forskningen för hennes doktorsexamen. avhandling vid Rice. "Det måste också finnas en mekanism för att ta bort en betydande mängd reducerat kol från biosfären, och därigenom skifta den relativa koncentrationen av syre i systemet, " Hon sa.

Att ta bort kol utan att ta bort syre kräver speciella omständigheter eftersom de två elementen är benägna att binda med varandra. De utgör en av atmosfärens nyckelkomponenter - koldioxid - såväl som alla typer av karbonatstenar.

Dasgupta och Duncan fann att den kemiska sammansättningen av "silikatsmältan" - att subducera jordskorpan som smälter och stiger tillbaka till ytan genom vulkanutbrott - spelar en avgörande roll för att avgöra om fossiliserat organiskt kol, eller grafit, sjunker in i manteln eller stiger tillbaka till ytan genom vulkanism.

Duncan, nu en forskare vid Carnegie Institution i Washington, D.C., sade att studien är den första som undersöker grafitbärförmågan hos en typ av smälta som kallas ryolit, som vanligtvis produceras djupt i manteln och transporterar betydande mängder kol till vulkanerna. Hon sa att den grafitbärande kapaciteten hos ryolitisk sten är avgörande eftersom om grafit är benäget att ta sig tillbaka till ytan genom utvinning av ryolitisk smälta, det skulle inte ha begravts i tillräckliga kvantiteter för att redovisa GOE.

"Silikatkomposition spelar en viktig roll, ", sade hon. "Forskare har tidigare tittat på kolbärande kapacitet i kompositioner som var mycket mer magnesiumrika och kiselfattiga. Men sammansättningarna av dessa rhyolitiska smältor är höga i kisel och aluminium och har mycket lite kalcium, magnesium och järn. Det spelar roll eftersom kalcium och magnesium är katjoner, och de ändrar mängden kol du kan lösa upp."

Dasgupta och Duncan fann att rhyolitiska smältor kunde lösa upp väldigt lite grafit, även när det är väldigt varmt.

"Det var en av våra motivationer, sa Dasgupta, professor i geovetenskap. "Om subduktionszoner tidigare var mycket varma och producerade en betydande mängd smälta, kan de helt destabilisera organiskt kol och släppa det tillbaka till ytan?

"Vad vi visade var att även vid mycket, mycket höga temperaturer, inte mycket av detta grafitkol löses i smältan, " sa han. "Så även om temperaturen är hög och du producerar mycket smälta, detta organiska kol är inte särskilt lösligt i den smältan, och kolet begravs i manteln som ett resultat.

"Det som är snyggt är att med början och det förväntade tempot för jordskorpans begravning i den djupa manteln som börjar precis före GOE, och med våra experimentella data om effektiviteten av djup begravning av reducerat kol, vi skulle kunna modellera den förväntade ökningen av atmosfäriskt syre över GOE, sa Dasgupta.

Forskningen stöder resultaten av en artikel från 2016 av andra Rice-petrologen Cin-Ty Lee och kollegor som föreslog att plattektonik, kontinentbildning och uppkomsten av tidiga liv var nyckelfaktorer i utvecklingen av en syrerik atmosfär på jorden.

Duncan, som alltmer fokuserar på exoplanetära system, sade att forskningen kan ge viktiga ledtrådar om vad forskare bör leta efter när de utvärderar vilka exoplaneter som kan stödja liv.