Denna tigeröga BIF (banded iron formation) sten visar lager av järn som satte sig som föreningar ur oceanisk lösning. Innan syre blev mer rikligt, haven var sannolikt fulla av järn som kunde ha gjort lustgas som kom in i jordens tidiga atmosfär för att hålla den varm. Kredit:Georgia Tech / Allison Carter
För mer än en eon sedan, solen sken svagare än den gör idag, men jorden höll sig varm på grund av en stark växthusgaseffekt, geovetenskapsteorin håller. Astronomen Carl Sagan myntade denna "The Faint Young Sun Paradox, "och i decennier, forskare har letat efter den rätta balansen av atmosfäriska gaser som kunde ha hållit jorden mysig.
En ny studie ledd av Georgia Institute of Technology tyder på att lustgas, känd för sin användning som dental lugnande skrattgas, kan ha spelat en betydande roll.
Forskargruppen genomförde experiment och atmosfärisk datormodellering som i detalj underbyggde en befintlig hypotes om förekomsten av dikväveoxid (N2O), en kraftfull växthusgas, i den gamla atmosfären. Etablerad forskning har redan pekat på höga halter av koldioxid och metan, men de kanske inte har varit tillräckligt många för att hålla jordklotet tillräckligt varmt utan hjälp av N2O.
Jennifer Glass, en biträdande professor vid Georgia Tech, och Chloe Stanton, tidigare en forskarassistent i Glass lab vid Georgia Tech, publicerade studien i tidskriften Geobiologi veckan den 20 augusti, 2018. Deras arbete finansierades av NASA Astrobiology Institute. Stanton är nu forskarassistent vid Pennsylvania State University.
Jennifer Glass i sitt labb på Georgia Tech. Hon håller i en stromatolitisk järnsten, som bildades medan järn oxiderade och lämnade havsvatten. Och för evigt sedan, havets järn var högt och kunde ha hjälpt till att skapa lustgas som kan ha hållit jorden tidigt varm. Kredit:Georgia Tech / Allison Carter
Ingen "tråkig miljard"
Studien fokuserade på mitten av den proterozoiska eonen, över en miljard år sedan. Spridningen av komplext liv var fortfarande några hundra miljoner år borta, och takten i vår planets utveckling verkade förmodligen bedrägligt långsam.
"Människor inom vårt område hänvisar ofta till det här mittkapitlet i jordens historia för ungefär 1,8 till 0,8 miljarder år sedan som den "tråkiga miljarden" eftersom vi klassiskt ser det som en mycket stabil period, sa Stanton, studiens första författare. "Men det fanns många viktiga processer som påverkade havets och atmosfärens kemi under denna tid."
Kemin i mitten av det proterozoiska havet var starkt påverkad av rikligt med lösligt järn (Fe2+) i syrefria djupa vatten.
Denna höjda havsbotten är röd som rost. När syre byggs upp i vattnet, järn rostade ur lösningen. När det var mycket i havet, den kraftfulla kemiska reaktanten som kunde ha underlättat produktionen av N2O (skrattgas). Karijini National Park Banded Iron Formations, Australien. Kredit:Georgia Tech / Jennifer Glass
Urgammal järnnyckel
"Havens kemi var helt annorlunda då, sa Glas, studiens huvudutredare. "Dagens hav är välsyresatta, så järn rostar snabbt och faller ur lösningen. Syre var lågt i Proterozoiska oceaner, så de fylldes med järn, som är mycket reaktiv."
I labbexperiment, Stanton fann att Fe2+ i havsvatten reagerar snabbt med kvävemolekyler, speciellt kväveoxid, för att ge lustgas i en process som kallas kemodenitrifikation. Denna lustgas (N2O) kan sedan bubbla upp i atmosfären.
När Stanton kopplade in de högre flödena av dikväveoxid i den atmosfäriska modellen, resultaten visade att lustgas kunde ha nått tio gånger dagens nivåer om syrehalterna i mitten av Proterozoic var 10 procent av de idag. Denna högre lustgas skulle ha gett en extra uppsving för global uppvärmning under den svaga unga solen.
Andas lustgas
Lustgas kunde också ha varit vad en del forntida liv andades.
Även i dag, vissa mikrober kan andas lustgas när syre är lågt. Det finns många likheter mellan de enzymer som mikrober använder för att andas kväve- och lustgas och enzymer som används för att andas syre. Tidigare studier har föreslagit att den senare utvecklats från de två förstnämnda.
Georgia Tech-modellen ger en riklig källa till lustgas i gamla järnrika hav för detta evolutionära scenario. Och före proterozoikum, när syre var extremt lågt, tidiga vattenmikrober kunde redan ha andats lustgas.
"Det är mycket möjligt att livet andades skrattgas långt innan det började andas syre, "Sade Glas. "Kemodenitrifikation kan ha försett mikrober med en stadig källa till det."
