eine 200 Millionen Jahre dauernde Reise zur Sauerstoffanreicherung

Jüngsten Entdeckungen zufolge erstreckte sich das „große Oxidationsereignis“ auf der Erde über 200 Millionen Jahre.

Neue Forschungsergebnisse unterstreichen die Komplexität des Großen Oxidationsereignisses und zeigen, dass der Anstieg des atmosphärischen und ozeanischen Sauerstoffs ein dynamischer Prozess war, der mehr als 200 Millionen Jahre dauerte und von wichtigen geologischen und biologischen Faktoren für die Entwicklung des Lebens beeinflusst wurde.

Das große Oxidationsereignis

Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren entstand freier Sauerstoff oder O₂haben begonnen, sich in erheblichen Mengen in der Erdatmosphäre anzusammeln und den Weg für das Gedeihen komplexer Lebensformen auf unserem sich entwickelnden Planeten zu ebnen.

Wissenschaftler nennen dieses Phänomen das Great Oxidation Event, kurz GOE. Aber die anfängliche Anhäufung von O₂ auf der Erde war laut einer neuen Studie unter der Leitung eines Geochemikers der University of Utah nicht so einfach, wie dieser Spitzname vermuten lässt.

Dieses „Ereignis“ dauerte mindestens 200 Millionen Jahre. Und verfolgen Sie die Anhäufung von O₂ in den Ozeanen sei bisher sehr schwierig gewesen, sagte Chadlin Ostrander, Assistenzprofessor am Fachbereich Geologie und Geophysik.

„Neue Daten deuten darauf hin, dass der anfängliche Anstieg von O₂ in der Erdatmosphäre war dynamisch und verlief bis vielleicht 2,2 in Schüben und Anläufen. vor einer Milliarde Jahren“, sagte Ostrander, Hauptautor der am 12. Juni in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Natur. „Unsere Daten bestätigen diese Hypothese und gehen noch einen Schritt weiter, indem sie diese Dynamik auf den Ozean ausweiten. »

Übersicht über Meeresschiefer

Sein internationales Forschungsteam, unterstützt von der NASA Exobiologieprogramm, das sich auf die Meeresschiefer der Transvaal-Supergruppe in Südafrika konzentriert und Einblicke in die Dynamik der Sauerstoffanreicherung der Ozeane während dieser entscheidenden Phase der Erdgeschichte bietet. Durch die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse von Thallium (Tl) und redoxempfindlichen Elementen fanden sie Hinweise auf Schwankungen im marinen O.₂ Werte, die mit Änderungen des Luftsauerstoffs zusammenfielen.

Diese Entdeckungen tragen dazu bei, das Verständnis der komplexen Prozesse zu verbessern, die den Sauerstoffgehalt der Erde geformt haben.₂ Niveaus während einer kritischen Phase in der Geschichte des Planeten, die den Weg für die Entwicklung des Lebens, wie wir es kennen, ebnete.

Verständnis der frühen Meeresbedingungen

„Wir wissen wirklich nicht, was in den Ozeanen geschah, wo wahrscheinlich die ersten Lebensformen auf der Erde auftauchten und sich entwickelten“, sagte Ostrander, der letztes Jahr von der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts an die Universität kam. „Also, wenn ich das O kenne₂ Der Inhalt der Ozeane und ihre Veränderung im Laufe der Zeit sind für die Entstehung des Lebens wahrscheinlich wichtiger als die Atmosphäre.

Die Forschung baut auf der Arbeit von Ostranders Co-Autoren Simon Poulton von der University of Leeds im Vereinigten Königreich und Andrey Bekker von der University of California, Riverside, auf. In einer Studie aus dem Jahr 2021 entdeckte ihr Wissenschaftlerteam, dass O₂ wurde erst etwa 200 Millionen Jahre nach Beginn des globalen Sauerstoffanreicherungsprozesses ein dauerhafter Bestandteil der Atmosphäre, viel später als bisher angenommen.

Atmosphärische und ozeanische Sauerstoffschwankungen

Ein überzeugender Beweis für eine anoxische Atmosphäre ist das Vorhandensein seltener, massenunabhängiger Schwefelisotopensignaturen in den der GOE vorgelegten Sedimentaufzeichnungen. Nur sehr wenige Prozesse auf der Erde können diese Schwefelisotopensignaturen erzeugen, und soweit bekannt ist, erfordert ihre Erhaltung in den Gesteinsaufzeichnungen mit ziemlicher Sicherheit die Abwesenheit von atmosphärischem O.₂.

In der ersten Hälfte der Erdgeschichte waren die Atmosphäre und die Ozeane weitgehend frei von O.₂. Dieses Gas wurde anscheinend vor GOE von Cyanobakterien im Ozean produziert, aber in jenen frühen Tagen produzierte O₂ wurde durch Reaktionen mit freigelegten Mineralien und vulkanischen Gasen schnell zerstört. Poulton, Bekker und ihre Kollegen fanden heraus, dass seltene Schwefelisotopensignaturen verschwinden und dann wieder auftauchen, was auf mehrere O hindeutet₂ steigt und fällt in der Atmosphäre während des GOE. Dies war kein einzelnes „Ereignis“.

Die Herausforderungen der Sauerstoffanreicherung der Erde

„Die Erde war noch nicht bereit für die Sauerstoffanreicherung, als mit der Sauerstoffproduktion begonnen wurde. „Die Erde brauchte Zeit, um sich biologisch, geologisch und chemisch zu entwickeln und die Sauerstoffversorgung zu fördern“, sagte Ostrander. „Es ist wie eine Wippe. Es wird zwar Sauerstoff produziert, aber der Sauerstoff wird so stark zerstört, dass nichts passiert. Wir versuchen immer noch herauszufinden, wann das Zünglein an der Waage sein wird und die Erde nicht mehr in eine anoxische Atmosphäre zurückfallen kann.

Heute, oh₂ macht 21 Gewichtsprozent der Atmosphäre aus, knapp hinter Stickstoff. Aber nach der GOE blieb Sauerstoff Hunderte Millionen Jahre lang ein sehr kleiner Bestandteil der Atmosphäre.

Fortgeschrittene Isotopenanalysetechniken

Um die Anwesenheit von O zu verfolgen₂ Während der GOE im Ozean verließ sich das Forschungsteam auf Ostranders Fachwissen über stabile Thalliumisotope.

Isotope sind Atome desselben Elements, die eine ungleiche Anzahl von Neutronen haben, was ihnen leicht unterschiedliche Gewichte verleiht. Isotopenverhältnisse eines bestimmten Elements haben zu Entdeckungen in der Archäologie, Geochemie und vielen anderen Bereichen geführt.

Thalliumisotope und Sauerstoffindikatoren

Fortschritte in der Massenspektrometrie haben es Wissenschaftlern ermöglicht, die Isotopenverhältnisse von Elementen immer weiter unten im Periodensystem, wie beispielsweise Thallium, genau zu analysieren. Zum Glück für Ostrander und sein Team reagieren die Thallium-Isotopenverhältnisse empfindlich auf die Einlagerung von Manganoxid auf dem Meeresboden, ein Prozess, der O erfordert₂ im Meerwasser untersuchte das Team Thalliumisotope in denselben Meeresschiefern, von denen kürzlich gezeigt wurde, dass sie atmosphärisches O aufspüren₂ Schwankungen während der GOE mit seltenen Schwefelisotopen.

In den Schiefergesteinen entdeckten Ostrander und sein Team bemerkenswerte Anreicherungen des leichteren Isotops Thallium (²⁰³Tl), ein Muster, das am besten durch die Einlagerung von Manganoxid auf dem Meeresboden und damit die Anreicherung von O erklärt werden kann₂ Diese Anreicherungen wurden in denselben Proben gefunden, denen die seltenen Isotopensignaturen von Schwefel fehlten und die Atmosphäre daher nicht mehr anoxisch war. Das i-Tüpfelchen: das ²⁰³Die Tl-Anreicherungen verschwinden, wenn die seltenen Schwefelisotopensignaturen zurückkehren. Diese Ergebnisse wurden durch die Anreicherung redoxempfindlicher Elemente bestätigt, einem traditionelleren Instrument zur Verfolgung von Veränderungen im alten O.₂.

„Wenn die Schwefelisotope sagen, dass die Atmosphäre mit Sauerstoff angereichert ist, sagen die Thalliumisotope, dass die Ozeane mit Sauerstoff angereichert sind. Und während Schwefelisotope sagen, dass die Atmosphäre wieder anoxisch geworden ist, sagen Thalliumisotope dasselbe für den Ozean aus“, sagte Ostrander. „Die Atmosphäre und der Ozean haben also gemeinsam Sauerstoff angereichert und Sauerstoff entzogen. Dies sind neue und interessante Informationen für diejenigen, die sich für die antike Erde interessieren.