Jordens atmosfär som andas är nyckeln till liv, och en ny studie tyder på att den första utbrottet av syre tillsattes av en ström av vulkanutbrott orsakade av tektonik.

Studien av geovetenskapliga forskare vid Rice University erbjuder en ny teori för att förklara uppkomsten av betydande syrekoncentrationer i jordens atmosfär för cirka 2,5 miljarder år sedan, något forskare kallar Great Oxidation Event (GOE). Forskningen visas den här veckan i Naturgeovetenskap .

"Det som gör det här unikt är att det inte bara försöker förklara syreuppgången, "sade studieförfattaren James Eguchi, en postdoktor vid NASA vid University of California, Riverside som genomförde arbetet för sin doktorsexamen. avhandling vid Rice. "Det försöker också förklara lite nära associerad ytgeokemi, en förändring i sammansättningen av kolisotoper, som observeras i karbonatstenrekordet relativt kort tid efter oxidationshändelsen. Vi försöker förklara var och en av dem med en enda mekanism som involverar den djupa jordens inre, tektonik och förbättrad avgasning av koldioxid från vulkaner. "

Eguchis medförfattare är Rajdeep Dasgupta, en experimentell och teoretisk geokemist och professor vid Rices Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap, och Johnny Seales, en doktorand från Rice som hjälpte till med modellberäkningarna som validerade den nya teorin.

Forskare har länge pekat på fotosyntes - en process som producerar avfallssyre - som en trolig källa för ökat syre under GOE. Dasgupta sa att den nya teorin inte rabatterar rollen som de första fotosyntetiska organismerna, cyanobakterier, spelat i GOE.

"De flesta tror att ökningen av syre var kopplad till cyanobakterier, och de har inte fel, "sa han." Framväxten av fotosyntetiska organismer kan släppa ut syre. Men den viktigaste frågan är om tidpunkten för det uppkomsten stämmer överens med tidpunkten för den stora oxidationshändelsen. Som det visar sig, de gör inte."

Cyanobakterier levde på jorden så mycket som 500 miljoner år före GOE. Medan ett antal teorier har erbjudits för att förklara varför det kan ha tagit så lång tid för syre att dyka upp i atmosfären, Dasgupta sa att han inte är medveten om några som samtidigt har försökt förklara en markant förändring i förhållandet mellan kolisotoper i karbonatmineraler som började cirka 100 miljoner år efter GOE. Geologer kallar detta Lomagundi -evenemanget, och det varade flera hundra miljoner år.

En av hundra kolatomer är isotopen kol-13, och de andra 99 är kol-12. Detta 1-till-99-förhållande är väl dokumenterat i karbonater som bildades före och efter Lomagundi, men de som bildas under evenemanget har cirka 10% mer kol-13.

Eguchi sa att explosionen i cyanobakterier i samband med GOE länge har ansetts spela en roll i Lomagundi.

"Cyanobakterier föredrar att ta kol-12 i förhållande till kol-13, "sa han." Så när du börjar producera mer organiskt kol, eller cyanobakterier, då är behållaren från vilken karbonaterna produceras utarmad i kol-12. "

Eguchi sa att människor försökte använda detta för att förklara Lomagundi, men timing var igen ett problem.

"När du faktiskt tittar på det geologiska rekordet, ökningen i förhållandet kol-13-till-kol-12 sker faktiskt upp till tio miljoner år efter att syre steg, "sa han." Så då blir det svårt att förklara dessa två händelser genom en förändring i förhållandet mellan organiskt kol och karbonat. "

Scenariot Eguchi, Dasgupta och Seales kom fram för att förklara alla dessa faktorer är:

• En dramatisk ökning av tektonisk aktivitet ledde till bildandet av hundratals vulkaner som spydde koldioxid i atmosfären.
• Klimatet värmdes, ökande nederbörd, vilket i sin tur ökade "vittringen, "den kemiska nedbrytningen av steniga mineraler på jordens karga kontinenter.
• Vittring gav en mineralrik avrinning som strömmade ut i haven, stöder en bom i både cyanobakterier och karbonater.
• Det organiska och oorganiska kolet från dessa hamnar på havsbotten och återvanns så småningom tillbaka i jordens mantel vid subduktionszoner, där oceaniska plattor dras under kontinenter.
• När sediment smälte om i manteln, oorganiskt kol, värd i karbonater, tenderade att släppas tidigt, återinträda i atmosfären genom bågvulkaner direkt ovanför subduktionszoner.
• Organiskt kol, som innehöll mycket lite kol-13, drogs djupt in i manteln och kom fram hundratals miljoner år senare som koldioxid från öns hotspot -vulkaner som Hawaii.

"Det är en stor cyklisk process, "Sade Eguchi." Vi tror att mängden cyanobakterier ökade för cirka 2,4 miljarder år sedan. Så det skulle driva vår syreökning. Men ökningen av cyanobakterier balanseras av ökningen av karbonater. Så att kol-12-till-kol-13-förhållandet inte ändras förrän både karbonaterna och organiskt kol, från cyanobakterier, bli subduktion djupt in i jorden. När de gör det, geokemi spelar in, orsakar att dessa två former av kol bor i manteln under olika tidsperioder. Karbonater frigörs mycket lättare i magmas och släpps tillbaka till ytan under en mycket kort period. Lomagundi startar när det första kol-13-berikade kolet från karbonater återvänder till ytan, och det slutar när det kol-12-berikade organiska kolet återvänder mycket senare, balansera förhållandet. "

Eguchi sa att studien betonar vikten av den roll som djupa jordprocesser kan spela i utvecklingen av livet på ytan.

"Vi föreslår att koldioxidutsläpp var mycket viktiga för denna spridning av liv, "sa han." Det försöker verkligen binda ihop hur dessa djupare processer har påverkat ytlivet på vår planet tidigare. "

Dasgupta är också den huvudsakliga utredaren på en NASA-finansierad insats som heter CLEVER Planets som utforskar hur livsviktiga element kan samlas på avlägsna exoplaneter. Han sa att bättre förståelse för hur jorden blev beboelig är viktig för att studera beboelse och dess utveckling på avlägsna världar.

"Det ser ut som att jordens historia kräver att tektonik spelar en stor roll för beboelse, men det betyder inte nödvändigtvis att tektonik är absolut nödvändig för syreuppbyggnad, "sa han." Det kan finnas andra sätt att bygga och upprätthålla syre, och att utforska dem är en av de saker vi försöker göra i CLEVER Planets. "