Wanneer en waar begon O2 zich op te hopen op Aarde?
Door oude rotsen te bestuderen, hebben onderzoekers vastgesteld dat ergens tussen 2,5 en 2,3 miljard jaar geleden, de Aarde onderging wat wetenschappers de “Great Oxidation Event” of kortweg “GOE” noemen. O2 accumuleerde zich voor het eerst in de atmosfeer van de Aarde in die tijd en is sindsdien aanwezig gebleven.
Door talrijke studies in dit onderzoeksgebied is er echter bewijs naar voren gekomen dat er kleine hoeveelheden O2 waren in kleine gebieden van de oude ondiepe oceanen van de Aarde vóór de GOE. En in een studie die onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Geoscience, heeft een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Arizona State University (ASU) overtuigend bewijs geleverd voor significante oceaan oxygenatie vóór de GOE, op grotere schaal en tot grotere diepten dan eerder werd erkend.
Voor deze studie richtte het team zich op een set van 2,5 miljard jaar oude mariene sedimentaire gesteenten uit West-Australië, bekend als de Mt. McRae Shale. “Deze rotsen waren perfect voor onze studie omdat eerder is aangetoond dat ze zijn afgezet tijdens een abnormale oxygenatie-episode vóór de Grote Oxidatie-episode,” zegt hoofdauteur Chadlin Ostrander van ASU’s School of Earth and Space Exploration.
Schalies zijn sedimentaire rotsen die op een bepaald moment in het verleden van de aarde zijn afgezet op de zeebodem van oude oceanen. In sommige gevallen bevatten deze schalies de chemische vingerafdrukken van de oude oceanen waarin zij werden afgezet.
Voor dit onderzoek loste Ostrander schaliemonsters op en scheidde de elementen van belang in een schoon laboratorium, waarna hij de isotopische samenstellingen op een massaspectrometer mat. Dit proces werd voltooid met de hulp van co-auteurs Sune Nielsen van Woods Hole Oceanographic Institution (Massachusetts); Jeremy Owens van Florida State University; Brian Kendall van de Universiteit van Waterloo (Ontario, Canada); wetenschappers Gwyneth Gordon en Stephen Romaniello van ASU’s School of Earth and Space Exploration; en Ariel Anbar van ASU’s School of Earth and Space Exploration en School of Molecular Sciences. Het verzamelen van de gegevens nam meer dan een jaar in beslag en maakte gebruik van faciliteiten van Woods Hole Oceanographic Institution, Florida State University, en ASU.
Met behulp van massaspectrometers heeft het team de thallium- en molybdeenisotoopsamenstelling van de Mt. McRae Shale gemeten. Dit was de eerste keer dat beide isotopensystemen in dezelfde reeks schaliemonsters waren gemeten. Zoals verondersteld, ontstond er een voorspelbaar isotopenpatroon van thallium en molybdeen, dat erop wijst dat mangaanoxidemineralen in grote delen van de oude oceaan in de zeebodem werden begraven. Om deze begraving te laten plaatsvinden, moest O2 2,5 miljard jaar geleden al helemaal op de zeebodem aanwezig zijn geweest.
Deze bevindingen verbeteren het inzicht van wetenschappers in de geschiedenis van de oxygenatie van de oceanen op aarde. Accumulatie van O2 was waarschijnlijk niet beperkt tot kleine delen van de oppervlakte-oceaan voorafgaand aan de GOE. Het is waarschijnlijker dat de accumulatie van O2 zich uitstrekte over grote delen van de oceaan en zich uitstrekte tot ver in de diepten van de oceaan. In sommige van deze gebieden lijkt O2-accumulatie zich zelfs helemaal tot op de zeebodem te hebben uitgestrekt.
“Onze ontdekking dwingt ons om de oorspronkelijke oxygenatie van de aarde opnieuw te overdenken,” stelt Ostrander. “Veel lijnen van bewijs suggereren dat O2 zich begon op te hopen in de atmosfeer van de Aarde na ongeveer 2,5 miljard jaar geleden tijdens de GOE. Het is nu echter duidelijk dat de aanvankelijke oxygenatie van de Aarde een verhaal is dat geworteld is in de oceaan. O2 accumuleerde zich waarschijnlijk in de oceanen van de Aarde — tot significante niveaus, volgens onze gegevens — lang voordat dit gebeurde in de atmosfeer.”
“Nu we weten wanneer en waar O2 zich begon op te hopen, is de volgende vraag waarom” zegt ASU President’s Professor en co-auteur Anbar. “Wij denken dat bacteriën die O2 produceren al in de oceanen floreerden lang voordat O2 zich in de atmosfeer begon op te bouwen. Wat veranderde er om die ophoping te veroorzaken? Dat is waar we nu aan werken.”