Studier av marina skiffer och isotopdata från perioden med stora oxidationshändelser avslöjar dynamiska syrefluktuationer i jordens tidiga atmosfär och hav, vilket framhäver den långvariga och komplexa naturen hos detta kritiska evolutionära skede. Kredit: Bladet.se.com
Jordens ”stora oxidationshändelse” spreds över 200 miljoner år, enligt nya upptäckter.
Ny forskning belyser den stora oxidationshändelsens komplexitet och avslöjar att ökningen av atmosfäriskt och oceaniskt syre var en dynamisk process som varade i över 200 miljoner år, påverkad av geologiska och biologiska faktorer som är avgörande för livets evolution.
Den stora oxidationshändelsen
För cirka 2,5 miljarder år sedan, fritt syre, eller O2började först ackumuleras till meningsfulla nivåer i jordens atmosfär, vilket satte scenen för uppkomsten av komplext liv på vår växande planet.
Forskare hänvisar till detta fenomen som den stora oxidationshändelsen, eller GOE för kort. Men den första ansamlingen av O2 på jorden var inte alls så okomplicerad som den monikern antyder, enligt ny forskning ledd av en geokemist vid University of Utah.
Denna ”händelse” varade i minst 200 miljoner år. Och spåra ackumuleringen av O2 i haven har varit väldigt svårt fram till nu, sa Chadlin Ostrander, biträdande professor vid institutionen för geologi & geofysik.
”Tillväxande data tyder på att den initiala ökningen av O2 i jordens atmosfär var dynamisk, utspelade sig i anfall och start till kanske 2.2. miljarder år sedan”, sa Ostrander, huvudförfattare till studien som publicerades den 12 juni i tidskriften Natur. ”Våra data validerar denna hypotes och går till och med ett steg längre genom att utvidga denna dynamik till havet.”
Chadlin Ostrander. Kredit: Chad Ostrander, University of Utah
Insikter från Marine Shales
Hans internationella forskarlag, som stöds av NASA Exobiologiprogram, fokuserat på marina skiffer från Sydafrikas Transvaal Supergroup, som ger insikter om dynamiken för syresättning av havet under denna avgörande period i jordens historia. Genom att analysera stabila tallium (Tl) isotopförhållanden och redoxkänsliga grundämnen, upptäckte de bevis på fluktuationer i marin O2 nivåer som sammanföll med förändringar i atmosfäriskt syre.
Dessa fynd hjälper till att främja förståelsen av de komplexa processer som formade jordens O2 nivåer under en kritisk period i planetens historia som banade väg för utvecklingen av livet som vi känner det.
Förstå tidiga oceaniska tillstånd
”Vi vet verkligen inte vad som hände i haven, där jordens tidigaste livsformer troligen har sitt ursprung och utvecklats”, säger Ostrander, som gick med på U-fakulteten förra året från Woods Hole Oceanographic Institution i Massachusetts. ”Så att känna till O2 havens innehåll och hur det utvecklades med tiden är förmodligen viktigare för det tidiga livet än atmosfären.”
Forskningen bygger på arbetet av Ostranders medförfattare Simon Poulton från University of Leeds i Storbritannien och Andrey Bekker från University of California, Riverside. I en studie 2021 upptäckte deras team av forskare att O2 blev inte en permanent del av atmosfären förrän cirka 200 miljoner år efter att den globala syresättningsprocessen började, mycket senare än man tidigare trott.
Atmosfäriska och oceaniska syrefluktuationer
Beviset för en ”rökningspistol” för en anoxisk atmosfär är närvaron av sällsynta, massoberoende svavelisotopsignaturer i sedimentära register före GOE. Väldigt få processer på jorden kan generera dessa svavelisotopsignaturer, och från vad som är känt kräver deras bevarande i berget nästan säkert en frånvaro av atmosfäriskt O2.
Under den första hälften av jordens existens var dess atmosfär och hav i stort sett utan O2. Denna gas producerades av cyanobakterier i havet före GOE, verkar det som, men i dessa tidiga dagar2 förstördes snabbt i reaktioner med exponerade mineraler och vulkaniska gaser. Poulton, Bekker och kollegor upptäckte att de sällsynta svavelisotopsignaturerna försvinner men sedan dyker upp igen, vilket tyder på flera O2 stiger och faller i atmosfären under GOE. Detta var ingen enskild ”händelse”.
Utmaningar i jordens syresättning
”Jorden var inte redo att syresättas när syre börjar produceras. Jorden behövde tid för att utvecklas biologiskt, geologiskt och kemiskt för att främja syresättning, säger Ostrander. ”Det är som en vingling. Du har syreproduktion, men du har så mycket syreförstöring att ingenting händer. Vi försöker fortfarande ta reda på när vi har tippat skalan helt och jorden inte kunde gå tillbaka till en anoxisk atmosfär.”
Idag har O2 står för 21 % av atmosfären, i vikt, näst efter kväve. Men efter GOE förblev syre en mycket liten komponent i atmosfären i hundratals miljoner år.
Avancerade isotopanalystekniker
För att spåra närvaron av O2 i havet under GOE förlitade sig forskargruppen på Ostranders expertis med stabila talliumisotoper.
Isotoper är atomer av samma grundämne som har ett ojämnt antal neutroner, vilket ger dem lite olika vikt. Förhållandet mellan ett visst elements isotoper har drivit upptäckter inom arkeologi, geokemi och många andra områden.
Talliumisotoper och syreindikatorer
Framsteg inom masspektrometri har gjort det möjligt för forskare att noggrant analysera isotopförhållanden för element längre och längre ner i det periodiska systemet, såsom tallium. Lyckligtvis för Ostrander och hans team är talliumisotopförhållanden känsliga för manganoxidbegravning på havsbotten, en process som kräver O2 i havsvatten. Teamet undersökte talliumisotoper i samma marina skiffer som nyligen visat sig spåra atmosfäriskt O2 fluktuationer under GOE med sällsynta svavelisotoper.
I skiffern fann Ostrander och hans team märkbara berikningar i den lättare massan talliumisotop (203Tl), ett mönster som bäst förklaras av manganoxidbegravning i havsbotten, och därmed ackumulering av O2 i havsvatten. Dessa anrikningar hittades i samma prover som saknade de sällsynta svavelisotopsignaturerna, och därmed när atmosfären inte längre var anoxisk. Grädden på moset: den 203Tl-berikningar försvinner när de sällsynta svavelisotopsignaturerna återkommer. Dessa fynd bekräftades av redoxkänsliga elementberikningar, ett mer klassiskt verktyg för att spåra förändringar i forntida O2.
”När svavelisotoper säger att atmosfären blev syresatt, säger talliumisotoper att haven blev syresatta. Och när svavelisotoperna säger att atmosfären vände tillbaka till anoxisk igen, säger talliumisotoperna detsamma för havet, säger Ostrander. ”Så atmosfären och havet blev syresatta och syrefattiga tillsammans. Det här är ny och cool information för dem som är intresserade av den antika jorden.”