In den letzten Jahren gab es eine Explosion von Entdeckungen von Exoplaneten. Einige dieser Welten befinden sich zumindest in vorläufigen Beobachtungen in der von uns als „bewohnbar“ bezeichneten Zone. Aber wie viele von ihnen werden lebenserhaltende, sauerstoffreiche Atmosphären in der gleichen Weise wie die Erde haben?
Eine neue Studie legt nahe, dass atmungsaktive Atmosphären möglicherweise nicht so selten sind, wie wir auf Planeten gedacht haben, die so alt sind wie die Erde.
Die Erde hat lange gebraucht, um die sauerstoffhaltige Atmosphäre zu entwickeln, die wir jetzt genießen. Bis vor etwa 2,4 Milliarden Jahren hatte unser Planet viel weniger Sauerstoff in seiner Atmosphäre und in den Ozeanen. Das änderte sich alles, als ein großes Oxygenierungsereignis stattfand; der erste von drei, der die Erde geformt hat.
Das dreistufige Modell der Sauerstoffversorgung der Erde wird weitgehend verstanden und akzeptiert, obwohl es nicht unumstritten ist. Das Modell beschreibt drei wesentliche Veränderungen in der Erdgeschichte, wobei jede die Erdatmosphäre durch Zugabe von mehr Sauerstoff wesentlich verändert.
Die drei Ereignisse waren:
- Das große Oxidationsereignis ereignete sich vor etwa 2,4 Milliarden Jahren während des Paläoproterozoikums. In diesem Fall sammelte sich biologisch erzeugter Sauerstoff in den Ozeanen und in der Atmosphäre an, was wahrscheinlich zu einem anfänglichen Massensterben führte.
- Das neoproterozoische Oxygenierungsereignis verzeichnete einen dramatischen Anstieg des Sauerstoffgehalts und ging der kambrischen Explosion vor etwa 540 Millionen Jahren voraus.
- Das paläozoische Oxygenierungsereignis ereignete sich vor ungefähr 400 Millionen Jahren und sah, dass Sauerstoff sein aktuelles Niveau von ungefähr 21% erreichte.
Die Geschichte der Sauerstoffversorgung der Erde ist kompliziert. Es war kein linearer Verlauf. Zunächst wurde Sauerstoff von Lebensformen als Abfallnebenprodukt erzeugt und ein Großteil davon von der Erdkruste absorbiert. Sauerstoff ist hochreaktiv und bildet mit anderen Elementen alle möglichen Verbindungen und wird in der Kruste eingeschlossen. Insbesondere reagierte es mit Eisen unter Bildung von Eisenoxid in der geologischen Aufzeichnung, einem unserer besten Indikatoren dafür, wann Sauerstoff in die Atmosphäre gelangte.
Es gibt jedoch viele Debatten um dieses Modell. Nach einem Verständnis des Modells produzierten photosynthetische Bakterien im Ozean einen Großteil des frühen Sauerstoffs. Dann kamen landgestützte Planeten Hunderte von Millionen von Jahren später und erhöhten den Sauerstoffgehalt wieder. Es gibt auch Hinweise darauf, dass Plattentektonik und massive Vulkanausbrüche eine Rolle spielten.
Ein Artikel der Autoren dieser neuen Studie besagt, dass dieses Modell impliziert, dass ein gewisses Maß an Glück erforderlich ist, um eine sauerstoffreiche Welt zu schaffen. "Wenn ein Vulkanausbruch nicht stattgefunden hätte oder sich eine bestimmte Art von Organismus nicht entwickelt hätte, wäre der Sauerstoff möglicherweise in geringen Mengen zum Stillstand gekommen", heißt es.
Aber vielleicht ist das nicht der Fall.
Ihre neue Studie trägt den Titel „Die schrittweise Sauerstoffversorgung der Erde ist eine inhärente Eigenschaft des globalen biogeochemischen Kreislaufs“, und das Wort „inhärent“ ist hier der Schlüssel. Die Autoren sagen, dass es nur eine Frage der Zeit war, bis wir den Sauerstoffgehalt erreichten, den wir jetzt haben, als wir die richtigen Mikroben und Plattentektoniken hatten, die beide vor 3 Milliarden Jahren etabliert wurden. Unabhängig von Vulkanen und Landpflanzen.
“Diese Forschung testet wirklich unser Verständnis davon, wie die Erde sauerstoffreich wurde und somit intelligentes Leben unterstützen kann.“
Lewis Alcott, Hauptautor, Earth Surface Science Institute, Universität Leeds.
Anstelle externer Kräfte war es "eine Reihe interner Rückkopplungen, die die globalen Phosphor-, Kohlenstoff- und Sauerstoffkreisläufe betreffen", die zur Sauerstoffversorgung der Erde führten, wie die Studie besagt. Tatsächlich hätten diese Zyklen „das gleiche dreistufige Muster erzeugt, das in der geologischen Aufzeichnung beobachtet wurde“.
Alles läuft darauf hinaus, aus dem Papier: "Wir schließen daraus, dass die Oxygenierungsereignisse der Erde vollständig mit der allmählichen Oxygenierung der Planetenoberfläche nach der Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese übereinstimmen."
Aber wie sind sie zu diesem Schluss gekommen?
Die Forscher stammen von der Leeds University in Großbritannien. Der Hauptautor ist Lewis J. Alcott, ein Doktorand am Earth Surface Science Institute. Alcott und die anderen Forscher arbeiteten mit einem etablierten Modell der marinen Biogeochemie und modifizierten es. Sie führten dieses Modell über die gesamte Erdgeschichte und stellten fest, dass es die drei wichtigsten Oxygenierungsereignisse von selbst erzeugte.
In einer Pressemitteilung sagte Alcott: "Diese Forschung testet wirklich unser Verständnis davon, wie die Erde sauerstoffreich wurde und somit intelligentes Leben unterstützen kann."
Das vorherrschende Denken hinter der Geschichte der Sauerstoffversorgung auf der Erde beruht auf einigen breiten Kategorien von Ereignissen, um dies zu erklären. Eine davon sind wichtige evolutionäre Entwicklungen in Lebensformen, die Sauerstoff produzieren. Grundsätzlich „biologische Revolutionen“, bei denen Lebensformen zunehmend komplexer wurden und eine sauerstoffreiche Umgebung geschaffen wurden. Die zweite Kategorie sind tektonische Revolutionen: eine dramatische und besondere Zunahme der tektonischen Aktivität, einschließlich einer signifikanten vulkanischen Aktivität, die die Kruste veränderte und zu höheren Sauerstoffwerten führte.
Es gab viele Debatten über die genaue Natur dieser beiden allgemeinen Kategorien, aber diese neue Studie gibt Wissenschaftlern etwas mehr zum Nachdenken. Anstatt sich auf „schrittweise“ Ereignisse zu verlassen, die zur Erklärung der Oxygenierung in der geologischen Aufzeichnung lokalisiert werden können, weist die neue Studie auf Rückkopplungszyklen zwischen Phosphor, Kohlenstoff und Sauerstoff hin.
Die Studie legt auch nahe, dass eine Sauerstoffanreicherung unvermeidlich war.
Der Koautor der Studie, Professor Simon Poulton, ebenfalls von der School of Earth and Environment in Leeds, sagte: „Unser Modell legt nahe, dass eine Sauerstoffanreicherung der Erde auf ein Niveau, das ein komplexes Leben aufrechterhalten kann, unvermeidlich war, sobald sich die Mikroben, die Sauerstoff produzieren, entwickelt hatten. ”
Das Herzstück dieses neuen Modells ist der marine Phosphorkreislauf. Ihr Modell erzeugte das gleiche dreistufige Oxygenierungsmuster, das die Erde erlebte, „wenn es nur durch eine allmähliche Verschiebung von reduzierenden zu oxidierenden Oberflächenbedingungen im Laufe der Zeit angetrieben wurde. Die Übergänge hängen davon ab, wie der marine Phosphorkreislauf auf sich ändernde Sauerstoffwerte reagiert und wie sich dies auf die Photosynthese auswirkt, für die Phosphor erforderlich ist. “
„Unsere Arbeit zeigt, dass die Beziehung zwischen den globalen Phosphor-, Kohlenstoff- und Sauerstoffkreisläufen von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Oxygenierungsgeschichte der Erde ist. Dies könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie ein anderer Planet als unser eigener bewohnbar werden kann “, sagte der leitende Autor Dr. Benjamin Mills.
Es gibt also noch Hoffnung für einige dieser Exoplaneten.
Diese Studie wird nicht das letzte Wort in dieser Angelegenheit sein. Aber es ist ein faszinierendes Ergebnis, und wenn es einer weiteren wissenschaftlichen Untersuchung standhält, kann es durchaus Auswirkungen darauf haben, wie wir die bereits gefundenen Exoplaneten charakterisieren, und die Tausenden, die wir mit TESS und anderen zukünftigen Planetenfindeteleskopen finden werden.
Mehr:
- Pressemitteilung: Der Sauerstoffdebatte der Erde neues Leben einhauchen
- Forschungsbericht: Die schrittweise Sauerstoffversorgung der Erde ist eine inhärente Eigenschaft des globalen biogeochemischen Kreislaufs
- Artikel: Atmungsaktive Atmosphären sind im Universum möglicherweise häufiger als wir zuerst dachten
- Forschungsbericht (2014): Der Anstieg von Sauerstoff im frühen Ozean und in der Atmosphäre der Erde
