A atmosfera respirável da Terra é a chave para a vida, e um novo estudo sugere que a primeira explosão de oxigênio foi adicionada por uma onda de erupções vulcânicas provocadas pela tectônica.

O estudo de geocientistas da Rice University oferece uma nova teoria para ajudar a explicar o aparecimento de concentrações significativas de oxigênio na atmosfera da Terra cerca de 2,5 bilhões de anos atrás, algo que os cientistas chamam de Grande Evento de Oxidação (GOE). A pesquisa aparece esta semana em Nature Geoscience .

"O que torna isso único é que não se trata apenas de tentar explicar o aumento do oxigênio, "disse o autor principal do estudo, James Eguchi, um pós-doutorado da NASA na Universidade da Califórnia, Riverside, que conduziu o trabalho de seu doutorado. dissertação em Rice. "Também está tentando explicar algumas geoquímicas de superfície intimamente associadas, uma mudança na composição dos isótopos de carbono, que é observado no registro de rocha carbonática um tempo relativamente curto após o evento de oxidação. Estamos tentando explicar cada um deles com um único mecanismo que envolve o interior profundo da Terra, tectônica e desgaseificação aprimorada de dióxido de carbono de vulcões. "

Os co-autores de Eguchi são Rajdeep Dasgupta, um geoquímico experimental e teórico e professor do Departamento da Terra de Rice, Ciências Ambientais e Planetárias, e Johnny Seales, um estudante de pós-graduação de Rice que ajudou com os cálculos do modelo que validou a nova teoria.

Os cientistas há muito apontam a fotossíntese - um processo que produz oxigênio residual - como uma fonte provável de aumento de oxigênio durante o GOE. Dasgupta disse que a nova teoria não descarta o papel que os primeiros organismos fotossintéticos, cianobactéria, jogado no GOE.

"A maioria das pessoas pensa que o aumento do oxigênio está ligado às cianobactérias, e eles não estão errados, "disse ele." O surgimento de organismos fotossintéticos pode liberar oxigênio. Mas a questão mais importante é se o momento dessa emergência está de acordo com o momento do Grande Evento de Oxidação. Acontece que eles não."

As cianobactérias estavam vivas na Terra cerca de 500 milhões de anos antes do GOE. Embora uma série de teorias tenham sido oferecidas para explicar por que pode ter demorado tanto para o oxigênio aparecer na atmosfera, Dasgupta disse não saber de nenhum que tenha tentado simultaneamente explicar uma mudança marcante na proporção de isótopos de carbono em minerais carbonáticos que começou cerca de 100 milhões de anos após o GOE. Os geólogos se referem a isso como o Evento Lomagundi, e durou várias centenas de milhões de anos.

Um em cada cem átomos de carbono são o isótopo carbono-13, e os outros 99 são carbono-12. Esta proporção de 1 para 99 está bem documentada em carbonatos que se formaram antes e depois de Lomagundi, mas aqueles formados durante o evento têm cerca de 10% a mais de carbono-13.

Eguchi disse que a explosão de cianobactérias associada ao GOE tem sido vista como tendo um papel importante em Lomagundi.

"As cianobactérias preferem tomar o carbono-12 em relação ao carbono-13, "disse ele." Então, quando você começar a produzir mais carbono orgânico, ou cianobactérias, então, o reservatório do qual os carbonatos estão sendo produzidos está esgotado em carbono-12. "

Eguchi disse que as pessoas tentaram usar isso para explicar Lomagundi, mas o tempo voltou a ser um problema.

"Quando você realmente olha para o registro geológico, o aumento na proporção de carbono-13 para carbono-12 realmente ocorre até 10s de milhões de anos após o aumento do oxigênio, ", disse ele." Então, fica difícil explicar esses dois eventos por meio de uma mudança na proporção de carbono orgânico para carbonato. "

O cenário Eguchi, Dasgupta e Seales chegaram para explicar todos esses fatores:

• Um aumento dramático na atividade tectônica levou à formação de centenas de vulcões que lançaram dióxido de carbono na atmosfera.
• O clima esquentou, aumento da chuva, que por sua vez aumentou o "desgaste", "a decomposição química dos minerais rochosos nos continentes áridos da Terra.
• O intemperismo produziu um escoamento rico em minerais que foi despejado nos oceanos, apoiando um boom de cianobactérias e carbonatos.
• O carbono orgânico e inorgânico destes acabou no fundo do mar e foi eventualmente reciclado de volta para o manto da Terra em zonas de subducção, onde as placas oceânicas são arrastadas para baixo dos continentes.
• Quando os sedimentos se fundiram novamente no manto, carbono inorgânico, hospedado em carbonatos, tendia a ser lançado mais cedo, reentrando na atmosfera através de vulcões de arco diretamente acima das zonas de subducção.
• Carbono organico, que continha muito pouco carbono-13, foi puxado profundamente para o manto e emergiu centenas de milhões de anos depois como dióxido de carbono de vulcões insulares como o Havaí.

"É um grande processo cíclico, "Eguchi disse." Nós acreditamos que a quantidade de cianobactérias aumentou cerca de 2,4 bilhões de anos atrás. Isso impulsionaria nosso aumento de oxigênio. Mas o aumento de cianobactérias é contrabalançado pelo aumento de carbonatos. Para que a proporção de carbono 12 para carbono 13 não mude até que os carbonatos e o carbono orgânico, de cianobactérias, seja subduzido nas profundezas da Terra. Quando eles fazem, geoquímica entra em jogo, fazendo com que essas duas formas de carbono residam no manto por diferentes períodos de tempo. Os carbonatos são liberados com muito mais facilidade em magmas e são liberados de volta à superfície em um período muito curto. Lomagundi começa quando o primeiro carbono enriquecido com carbono-13 dos carbonatos retorna à superfície, e termina quando o carbono orgânico enriquecido com carbono-12 retorna muito mais tarde, reequilibrando a proporção. "

Eguchi disse que o estudo enfatiza a importância do papel que os processos profundos da Terra podem desempenhar na evolução da vida na superfície.

"Estamos propondo que as emissões de dióxido de carbono foram muito importantes para essa proliferação de vida, ", disse ele." É realmente uma tentativa de relacionar como esses processos mais profundos afetaram a vida superficial em nosso planeta no passado. "

Dasgupta também é o principal investigador de um esforço financiado pela NASA chamado CLEVER Planets, que está explorando como elementos essenciais à vida podem se reunir em exoplanetas distantes. Ele disse que entender melhor como a Terra se tornou habitável é importante para estudar a habitabilidade e sua evolução em mundos distantes.

"Parece que a história da Terra está exigindo que a tectônica desempenhe um grande papel na habitabilidade, mas isso não significa necessariamente que a tectônica é absolutamente necessária para o acúmulo de oxigênio, "disse ele." Pode haver outras maneiras de construir e manter o oxigênio, e explorar isso é uma das coisas que estamos tentando fazer em CLEVER Planets. "