En ny studie tyder på att snabb nedkylning inom jordens mantel genom platttektonik spelade en stor roll i utvecklingen av de första livsformerna, vilket i sin tur ledde till syresättning av jordens atmosfär. Studien publicerades i mars 2018 -numret av Earth and Planetary Science Letters .

Forskare vid University of Adelaide och Curtin University i Australien, och University of California at Riverside, Kalifornien, USA, samlat in och analyserat data om magmatiska bergarter från geologiska och geokemiska datalager i Australien, Kanada, Nya Zeeland, Sverige och USA. De fann att under de 4,5 miljarder åren av jordens utveckling, stenar som är rika på fosfor som samlats i jordskorpan. De tittade sedan på förhållandet mellan denna ackumulering och syre i atmosfären.

Fosfor är viktigt för livet som vi känner det. Fosfater, som är föreningar som innehåller fosfor och syre, är en del av ryggraden i DNA och RNA samt cellmembranen, och hjälper till att kontrollera celltillväxt och funktion.

För att ta reda på hur fosforhalten i jordskorpan har ökat med tiden, forskarna studerade hur sten bildades när jordens mantel svalnade. De utförde modellering för att ta reda på hur mantelbaserade stenar förändrade sammansättningen som en följd av den långsiktiga kylningen av manteln.

Deras resultat tyder på att under en tidig varmare period i jordens historia - den arkaiska perioden för mellan fyra och 2,5 miljarder år sedan - det fanns en större mängd smält mantel. Fosfor skulle ha varit för utspädd i dessa stenar. Dock, över tid, jorden svalnade tillräckligt, med hjälp av uppkomsten av platttektonik, i vilken den kallare yttre skorpan på planeten subdugeras tillbaka i den heta manteln. Med denna kylning, partiella mantelsmältningar blev mindre.

Som Dr. Grant Cox, en jordvetare vid University of Adelaide och en medförfattare till studien, förklarar, resultatet är att "fosfor kommer att koncentreras i små procentuella smältningar, så när manteln svalnar, mängden smält du extraherar är mindre men den smältan kommer att ha högre koncentrationer av fosfor i den. "

Fosforens roll i oxidationen av jorden

Fosforet koncentrerades och kristalliserades till ett mineral som kallas apatit, som blev en del av de vulkaniska klipporna som skapades från den kylda manteln. Så småningom, dessa stenar nådde jordens yta och utgjorde en stor del av skorpan. När fosformineraler som härrör från skorpan blandas med vattnet i sjöar, floder och hav, apatit bryts ner till fosfater, som blev tillgänglig för utveckling och näring av primitivt liv.

Forskarna uppskattade blandningen av element från jordskorpan med havsvatten över tid. De fann att högre nivåer av bio-väsentliga element parallellt med stora ökningar av syresättningen i jordens atmosfär:den stora oxidationshändelsen (GOE) för 2,4 miljarder år sedan, och Neoproterozoic Oxygen Event, 800 miljoner år sedan, varefter syrenivåerna antogs vara tillräckligt höga för att stödja flercelligt liv.

Redan före GOE, från ungefär 3,5 till 2,5 miljarder år sedan, några av de tidigaste livsformerna kan möjligen generera syre genom fotosyntes. Dock, under tiden, det mesta av detta syre reagerade med järn och svavel i magmatiska bergarter. För att förstå hur dessa reaktioner påverkade syrenivåerna i atmosfären under en period av fyra miljarder år, forskarna mätte mängden svavel och järn i magartiska bergarter, och räknade ut hur mycket syre som hade reagerat. De jämförde alla dessa händelser med förändringar i nivåerna av atmosfäriskt syre. Forskarna fann att minskning av svavel och järn tillsammans med ökade fosfor parallellt med den stora oxidationshändelsen och den neoproterozoiska syrehändelsen.

En explosion av liv

Alla dessa händelser stöder ett scenario där kylningen av jordens mantel ledde till ökningen av fosforrika stenar i jordskorpan. Dessa stenar blandades sedan med haven, där fosforhaltiga mineraler gick sönder och läckte ut i vattnet. När fosforhalten i havsvattnet var tillräckligt hög, primitiva livsformer blomstrade och deras antal ökade, så att de kunde generera tillräckligt med syre för att det mesta skulle nå atmosfären. Syre nådde tillräckliga nivåer för att stödja flercelligt liv.

Dr Peter Cawood, en geolog vid Monash University i Melbourne, Australien, kommentarer till Astrobiology Magazinethat, "det är spännande att tänka att [syret] som vi är beroende av för livet beror på sitt yttersta ursprung till sekulära minskningar i manteltemperaturen, som antas ha minskat från cirka 1, 550 grader Celsius för cirka tre miljarder år sedan till cirka 1, 350 grader Celsius idag. "

Kan ett liknande scenario spela ut på en möjlig exo-Earth? Med Kepler-upptäckterna av ett växande antal möjligen jordliknande planeter, kan någon av dessa stödja livet? Cawood föreslår att fyndet är potentiellt viktigt för utvecklingen av aerobt liv (dvs. liv som utvecklas i en syrerik miljö) på exoplaneter. "Detta förutsatt att [fosfor] i de vulkaniska bergarterna på planetens yta genomgår vittring för att säkerställa dess biotillgänglighet, "säger Cawood." Betydande, fosforhalten i magartiska bergarter är högst i de bergarter som är låga i kiseldioxid [bergarter som bildas genom snabb kylning] och bergarter med denna sammansättning dominerar skorporna i Venus och Mars och sannolikt också på exoplaneter. "

Cox avslutar med att säga att "Detta förhållande [mellan stigande syrenivåer och mantelkylning] har konsekvenser för alla markbundna planeter. Alla planeter kommer att svalna, och de med effektiv plattektektonisk konvektion kyls snabbare. Vi lämnar slutsatsen att hastigheten på sådan kylning kan påverka hastigheten och mönstret för biologisk utveckling på alla potentiellt beboeliga planeter. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NASA:s Astrobiology Magazine. Utforska jorden och mer på www.astrobio.net.