Videnskabsfolk fra NAI’s New York Center for Astrobiology ved Rensselaer Polytechnic Institute har brugt de ældste mineraler på Jorden til at rekonstruere de atmosfæriske forhold, der var til stede på Jorden meget kort tid efter dens fødsel. Resultaterne, der er offentliggjort i det aktuelle nummer af Nature, er det første direkte bevis på, hvordan planetens gamle atmosfære var kort efter dens dannelse, og de udfordrer direkte mange års forskning i den type atmosfære, hvorfra livet opstod på planeten.
Forskerne viser, at Jordens atmosfære blot 500 millioner år efter dens skabelse ikke var en metanfyldt ødemark, som tidligere foreslået, men i stedet var meget tættere på forholdene i vores nuværende atmosfære. Resultaterne i en artikel med titlen “The oxidation state of Hadean magmas and implications for early Earth’s atmosphere” har betydning for vores forståelse af, hvordan og hvornår livet begyndte på denne planet og kunne begynde andre steder i universet.
I årtier har forskerne troet, at atmosfæren på den tidlige Jord var stærkt reduceret, hvilket betyder, at iltindholdet var stærkt begrænset. Sådanne iltfattige forhold ville have resulteret i en atmosfære fyldt med skadelig metan, carbonmonoxid, svovlbrinte og ammoniak. Til dato er der stadig udbredte teorier og undersøgelser af, hvordan livet på Jorden kan være blevet skabt ud fra denne dødbringende atmosfærecocktail.
Nu vender forskere fra Rensselaer disse atmosfæriske antagelser på hovedet med resultater, der beviser, at forholdene på den tidlige Jord simpelthen ikke var befordrende for dannelsen af denne type atmosfære, men snarere for en atmosfære domineret af de mere iltrige forbindelser, der findes i vores nuværende atmosfære – herunder vand, kuldioxid og svovldioxid.
“Vi kan nu med nogenlunde sikkerhed sige, at mange videnskabsmænd, der studerer livets oprindelse på Jorden, simpelthen valgte den forkerte atmosfære”, siger Bruce Watson, institutprofessor i naturvidenskab ved Rensselaer.
Fundene hviler på den udbredte teori om, at Jordens atmosfære blev dannet af gasser, der blev frigivet fra vulkansk aktivitet på Jordens overflade. I dag, ligesom i Jordens tidligste dage, indeholder magma, der strømmer fra dybt inde i Jorden, opløste gasser. Når denne magma nærmer sig overfladen, frigives disse gasser til den omgivende luft.
“De fleste forskere vil hævde, at denne udgasning fra magma var det vigtigste input til atmosfæren,” siger Watson. “For at forstå atmosfærens karakter ‘i begyndelsen’ var vi nødt til at bestemme, hvilke gasarter der var i de magmaer, der leverede atmosfæren.”
Når magma nærmer sig Jordens overflade, bryder det enten ud eller går i stå i jordskorpen, hvor det interagerer med de omkringliggende bjergarter, afkøles og krystalliserer til fast bjergart. Disse frosne magmaer og de grundstoffer, de indeholder, kan være bogstavelige milepæle i Jordens historie.
En vigtig milepæl er zircon. I modsætning til andre materialer, der ødelægges med tiden af erosion og subduktion, er visse zirkoner næsten lige så gamle som selve Jorden. Som sådan kan zirkoner bogstaveligt talt fortælle hele planetens historie – hvis man ved, hvilke spørgsmål man skal stille.
Forskerne forsøgte at bestemme oxidationsniveauet i de magmaer, der dannede disse gamle zirkoner, for for første gang nogensinde at kvantificere, hvor oxiderede de gasser var, der blev frigivet tidligt i Jordens historie. Hvis man forstår oxidationsniveauet, kan det betyde forskellen mellem ubehagelig sumpgas og den blanding af vanddamp og kuldioxid, som vi i dag er så vant til, siger hovedforfatter Dustin Trail, der er postdoc i Center for Astrobiology, om undersøgelsen.
“Ved at bestemme oxidationstilstanden i de magmaer, der skabte zirkon, kunne vi derefter bestemme de typer af gasser, der i sidste ende ville finde vej til atmosfæren,” siger Trail.
For at gøre dette genskabte Trail, Watson og deres kollega, postdoc Nicholas Tailby, dannelsen af zirkoner i laboratoriet ved forskellige oxidationsniveauer. De skabte bogstaveligt talt lava i laboratoriet. Denne procedure førte til skabelsen af en oxidationsmåler, som derefter kunne sammenlignes med de naturlige zirkoner.
Under denne proces kiggede de efter koncentrationer af et sjældent jordartsmetal kaldet cerium i zirkonerne. Cerium er en vigtig oxidationsmåler, fordi det kan findes i to oxidationstilstande, hvor den ene er mere oxideret end den anden. Jo højere koncentrationerne af den mere oxiderede type cerium i zirkoner er, jo mere oxideret var atmosfæren sandsynligvis efter deres dannelse.
Kalibreringerne afslører en atmosfære med en oxidationstilstand, der ligger tættere på nutidens forhold. Resultaterne giver et vigtigt udgangspunkt for fremtidig forskning i livets oprindelse på Jorden.
“Vores planet er den scene, hvor alt liv har udspillet sig,” sagde Watson. “Vi kan ikke engang begynde at tale om livet på Jorden, før vi ved, hvad denne scene er. Og iltforholdene var af afgørende betydning, fordi de påvirker de typer af organiske molekyler, der kan dannes.”
Selv om det er den atmosfære, som livet i øjeblikket ånder, lever og trives i, er vores nuværende oxiderede atmosfære i øjeblikket ikke forstået som et godt udgangspunkt for liv. Metan og dets iltfattige modstykker har et langt større biologisk potentiale til at springe fra uorganiske forbindelser til livsunderstøttende aminosyrer og DNA. Som sådan mener Watson, at hans gruppes opdagelse kan puste nyt liv i teorierne om, at disse byggesten til liv måske ikke blev skabt på Jorden, men leveret fra et andet sted i galaksen.
Resultaterne strider dog ikke mod de eksisterende teorier om livets rejse fra anaerobe til aerobe organismer. Resultaterne kvantificerer arten af gasmolekyler indeholdende kulstof, brint og svovl i den tidligste atmosfære, men de kaster ikke lys over den langt senere fremkomst af fri ilt i luften. Der var stadig en betydelig mængde tid til, at ilten kunne opbygges i atmosfæren gennem biologiske mekanismer, ifølge Trail.