Czy to metan był odpowiedzialny za tlenowy boom na wczesnej Ziemi?

Wedle sugestii naukowców z Uniwersytetu w St Andrews, Zjednoczone Królestwo, których badania zostały częściowo wsparte z finansowanego ze środków UE projektu OXYGEN, miliardy lat temu, przez okres około miliona lat, atmosfera Ziemi była przesyconą metanem mgłą. Mgła wyprowadziła duże ilości wodoru z atmosfery, przygotowując miejsce dla olbrzymich ilości tlenu do wypełnienia przestrzeni, czego skutkiem była atmosfera bardzo podobna to tej, która obecnie podtrzymuje życie. Przed ową transformacją, której siłą napędową był metan, atmosfera Ziemi była niegościnna ze względu na to, że była wypełniona toksycznymi gazami, które powodowały gwałtowne wahania temperatur powierzchniowych.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie »Proceedings of the National Academy of Sciences«. W międzynarodową współpracę włączyły się także Uniwersytet w Maryland, Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA, Uniwersytet w Leeds oraz Blue Marble Space Institute of Science. W ramach prowadzonych prac zespół badawczy zaproponował nowy argument przemawiający za katastrofą tlenową, która miała miejsce 2,4 miliarda lat temu, kiedy to stężenie tlenu w atmosferze Ziemi wzrosło ponad 10 000 razy.

„Przekształcenie powietrza ziemskiego z toksycznej mieszanki w atmosferę zasobną w tlen trwało zaledwie geologiczny moment” – zauważył James Farquhar, profesor geologii na Uniwersytecie w Maryland i współautor artykułu. „Dzięki tym badaniom po raz pierwszy zyskujemy kompletny obraz tego, w jaki sposób doprowadziła do tego mgła metanowa”.

Naukowcy wykorzystali przede wszystkim szczegółowe rejestry chemiczne i zaawansowane modele atmosferyczne do zrekonstruowania chemii atmosferycznej w okresie bezpośrednio poprzedzającym katastrofę tlenową. Uzyskane przez nich wyniki sugerują, że pradawne bakterie (w owym czasie jedyne formy życia na Ziemi) wytwarzały ogromne ilości metanu, który wchodził w reakcję i wypełniał atmosferę gęstą mgłą. Te badania jako pierwsze pokazują, jak szybko te zdarzenia się rozpoczęły i jak długo trwały. Posługując się współczesnym porównaniem, taka atmosfera odzwierciedla bieżące warunki panujące na Tytanie, największym księżycu Saturna.

Badania stały się jeszcze bardziej ekscytujące po odkryciu nieprawidłowych schematów izotopów siarki w geochemicznych rejestrach z tego okresu. Izotopy siarki są często używane jako wskaźnik zastępczy do rekonstrukcji dawnych warunków atmosferycznych, ale wcześniejsze badania tego okresu nie ujawniły niczego niezwykłego.

„Wysokie stężenia metanu oznaczały, że więcej wodoru, głównego gazu uniemożliwiającego wzrost ilości tlenu, mogło ulatniać się do przestrzeni kosmicznej, otwierając drogę do globalnego natlenienia” – zauważyła Aubrey Zerkle, biogeochemiczka z Uniwersytetu w St Andrews i współautorka artykułu. „Nasz nowy zbiór danych tworzy rejestr chemii atmosferycznej w okresie archaiku o najwyższej jak dotąd rozdzielczości, malując dramatyczny obraz warunków panujących na powierzchni Ziemi przed natlenieniem naszej planety”.

W sumie metanowa mgła utrzymywała się około jednego miliona lat. Kiedy wystarczająco wodoru ulotniło się z atmosfery, zaistniały odpowiednie warunki i rozpoczął się tlenowy boom, umożliwiając rozwój organizmów wielokomórkowych.

„Odtwarzanie ewolucji chemii atmosferycznej jest od dawna przedmiotem zainteresowania badań geochemicznych” – stwierdził Gareth Izon, naczelny autor artykułu, który brał udział w badaniach w charakterze adiunkta na Uniwersytecie w St Andrews. „Nasze dane pokazują, że skład chemiczny atmosfery był dynamiczny i przynajmniej w okresie poprzedzającym katastrofę tlenową, nadwrażliwy na regulację biologiczną”.

Prace na projektem OXYGEN (Quantifying the evolution of Earth''s atmosphere with novel isotope systems and modelling), który otrzymał niemal 1,8 mln EUR dofinansowania ze środków UE, będą kontynuowane na Uniwersytecie w St Andrews do maja 2021 r.

Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS