אחת התעלומות שעדיין לא נפתרו על תולדות כדור הארץ היא איך הכוכב התחלף לפני מיליארדי שנים מחומצן ונשימה. כעת, מחקר חדש טוען כי ייתכן שהאשם היה לוחות הסלע הענקיים המרכיבים את הקליפה החיצונית של כדור הארץ.
כשנעשו מה שנקרא לוחות אלה, בתהליך שנקרא טקטוניקת צלחות, הם היו קוברים שרידים עתירי פחמן של יצורים מתים מתחת ללוחות אחרים כשהם מחליקים מתחת. במעטפת כדור הארץ, מתחת לקרום, הפחמן לא יוכל להגיב עם חמצן, ולהשאיר את המרכיב החיוני הזה באטמוספרה, אמרו המדענים.
עד לאירוע החמצן הגדול, האטמוספירה של כדור הארץ הייתה תערובת של חנקן, פחמן דו חמצני, אדי מים ומתאן. ואז, לפני 2.5 מיליארד שנה, כיתה של יצורים חד-תאיים החלה להשתמש באותה דו תחמוצת הפחמן ולייצר חמצן כמוצר פסולת. אבל חמצן מאוד תגובתי; התגובות עם סלעים לפני השטח ופחמן המחלחלים משאריות של אורגניזמים מתים יזלזלו במהירות את היסוד.
קבור פחמן
המחקר החדש של מייגן דאנקן וראג'דיפ דסגופטה באוניברסיטת רייס בטקסס העלה כי הפחמן מהיצורים המתים נדחף מתחת לקרום כדור הארץ, או הוחלף, ליצירת גרפיטים ויהלומים קדומים. כיוון שכך, אמר הצמד, אירוע החמצן הגדול היה, בחלקו, מונע על ידי תחילתו של טקטוניקת צלחות "מודרניות", שבה קרום כדור הארץ מחולק לצלחות ענק המתנגשות, מנדנדות ומחליקות זו לזו ומתחת זו לזו.
התהליך היה יעיל מספיק כדי שהפחמן לא הספיק להגיב עם החמצן, ולכן החמצן - תוצר הפסולת של כל אותם יצורים מוקדמים - נשאר באווירה והצטבר עד לרמות שנראו היום. התוצאה: אווירה הניתנת לנשימות חמצן עתידיות.
"עבודה זו החלה בשיקול תהליכים המתרחשים באזורי הכרה כיום", אמר דאנקן ל- Live Science. "ואז תוהה מה קרה באזורי ההכרה הקדומים."
דאנקן השתמש במודל מחשב של האטמוספרה המראה תגובה בין פחמן דו חמצני למים. כאשר השניים מגיבים, הם מייצרים חמצן מולקולרי (המורכב משני אטומי חמצן) ופורמלדהיד (תרכובת המורכבת מפחמן, מימן וחמצן). הפורמלדהיד אינו בהכרח מה שיצורים חיים היו מייצרים בפועל; זה עמדה לתרכובות פחמן אורגניות מורכבות יותר, אמר דאנקן.
בדרך כלל, התגובה הזו מאוזנת; החמצן מסתובב חזרה כדי ליצור יותר פחמן דו חמצני (CO2) ומים, ומותיר אטמוספרה נטולת חמצן. שם נכנסים טקטוניקות הלוח, אמרו החוקרים. על פי המחקר החדש, הלוחות הדוחפים דחפו את כל הפורמלדהיד מתחת לאדמה והשאירו את האוויר עם יותר חמצן. בינתיים, מבלי שהפורמלדהיד יניע את התגובה הכימית "המאוזנת", CO2 נוסף היה נשאר באווירה, ועוזר לנשימות ה- CO2 לשגשג ולייצר עוד יותר חמצן כפסולת, מצאו החוקרים במודל המחשבים שלהם.
שומר על פחמן בסימון
כדי לבדוק את ההשערה שלהם, החוקרים השתמשו בשתי מדידות ישנות יותר של פחמן בבצק העתיק ובניסויים במעבדה. בכמה יהלומים עתיקים, למשל, יש כמות מסוימת של פחמן -13, איזוטופ פחמן שנמצא ברקמות של יצורים חיים. נתונים אלה הראו שכמות מסוימת של פחמן אורגני הכניסה אותו בבירור למעטפת (מתחת לקרום כדור הארץ), אמרו החוקרים.
השאלה הבאה הייתה האם הפחמן יישאר שם. דאנקן המיס חתיכת זכוכית סיליקט והוסיף לו גרפיט. הזכוכית הדמה את הקרום העתיק והגרפיט ייצג את הפחמן מהאורגניזמים, אמר דאנקן. לאחר מכן היא הגדילה את הלחץ והטמפרטורה, החל בכ 14,800 אטמוספרות לחץ והגדילה אותו ל 29,000 אטמוספרות (זה בערך 435,000 פאונד לאינץ 'מרובע). התוצאות הראו כי פחמן יכול להתמוסס בסלע בתנאים הסבירים שנמצאים במעטפת כדור הארץ הקדומה, נאמר במחקר. התוצאה הראתה כי ככל הנראה, הפחמן יישאר תחת הקרום במשך מיליוני שנים לפני שהרי הגעש התפוצצו שוב, כך נאמר במחקר.
הצמדת המנגנון המדויק לאירוע החמצן הגדול לא תהיה קלה, אמר דאנקן, וכנראה שזה כלל כמה מנגנונים, ולא רק אחד. אתגר אחד הוא ציר הזמן של תחילת ההכנעה, אמרה.
"אם התהליכים הטקטוניים המודרניים היו תמיד בפעולה, זה לא עובד", אמר דאנקן. נראה כי קווי ראיות אחרים מראים כי בתחילת כדור הארץ לא היו בתחילה טקטוניקות צלחת וכי התהליך התחיל מאוחר יותר, הוסיף דאנקן.
"זה תלוי גם בכמה פחמן אורגני הוסר מהשטח", כתב דאנקן במייל. "כמה פחמן אורגני הגיע לקרקעית האוקיאנוס (וזה ככל הנראה תלוי בכימיה של האוקיאנוס הקדום). אנחנו יודעים שזה קורה היום. אנחנו יכולים לצאת ולמדוד אותו. אנחנו רואים את זה בסלעים עתיקים, ואולי גם ביהלומים, אז אנחנו מאמינים שהפחמן האורגני היה קיים והוחלף לאורך כל תולדות כדור הארץ. "
הבעיה היא לשים גבולות מדויקים לכמה וכמה מהר, אמרה.
טים ליונס, פרופסור לביוגאוכימיה באוניברסיטת קליפורס ריברסייד, הסכים כי קישור מודל זה לרשומה הידועה בסלעים הוא אתגר. "אחת השאלות שלי היא האם ניתן לקשור נתונים אלה לרשומה איתנה לתולדות ההכרה", אמר ליונס.
"הוצעו מנגנונים רבים לגרום ל- GOE; אף אחד מהם לא יכול ליצור מחדש את גודל העלייה ב- O2 שנצפה מהשיא," אמר דנקן. "זה ככל הנראה שילוב של רבים מהמנגנונים האלה, כולל הכנעה, שאיפשרו רמות O2 לעלות ולהישמר למשך כל שאר תולדות כדור הארץ."
המחקר הופיע (25 באפריל) בכתב העת Nature Geoscience.
