Wetenschappers van het New York Center for Astrobiology van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben de oudste mineralen op aarde gebruikt om de atmosferische omstandigheden op aarde kort na haar geboorte te reconstrueren. De bevindingen, die in het huidige nummer van Nature verschijnen, zijn het eerste directe bewijs van hoe de oude atmosfeer van de planeet er kort na haar ontstaan uitzag en stellen jaren van onderzoek naar het type atmosfeer waaruit leven op de planeet ontstond, rechtstreeks ter discussie.
De wetenschappers tonen aan dat de atmosfeer van de aarde slechts 500 miljoen jaar na haar ontstaan geen met methaan gevulde woestenij was zoals eerder werd voorgesteld, maar in plaats daarvan veel dichter bij de omstandigheden van onze huidige atmosfeer stond. De bevindingen, in een artikel getiteld “The oxidation state of Hadean magmas and implications for early Earth’s atmosphere,” hebben implicaties voor ons begrip van hoe en wanneer het leven op deze planeet begon en elders in het heelal zou kunnen beginnen.
Tientallen jaren lang hebben wetenschappers geloofd dat de atmosfeer van de vroege Aarde sterk gereduceerd was, wat betekent dat zuurstof zeer beperkt was. Zulke zuurstofarme omstandigheden zouden hebben geleid tot een atmosfeer gevuld met schadelijk methaan, koolmonoxide, waterstofsulfide en ammoniak. Tot op heden zijn er nog steeds wijdverbreide theorieën en studies over hoe het leven op Aarde kan zijn opgebouwd uit deze dodelijke atmosferische cocktail.
Nu zetten wetenschappers van Rensselaer deze atmosferische veronderstellingen op hun kop met bevindingen die bewijzen dat de omstandigheden op de vroege Aarde gewoon niet bevorderlijk waren voor de vorming van dit type atmosfeer, maar eerder voor een atmosfeer die werd gedomineerd door de meer zuurstofrijke verbindingen die in onze huidige atmosfeer worden aangetroffen – waaronder water, kooldioxide en zwaveldioxide.
“We kunnen nu met enige zekerheid zeggen dat veel wetenschappers die de oorsprong van het leven op Aarde bestuderen, gewoon de verkeerde atmosfeer hebben gekozen,” zei Bruce Watson, instituutshoogleraar wetenschappen aan Rensselaer.
De bevindingen berusten op de wijd verbreide theorie dat de atmosfeer van de Aarde werd gevormd door gassen die vrijkwamen bij vulkanische activiteit op haar oppervlak. Vandaag de dag bevat magma dat diep uit de aarde stroomt, net als in de vroegste dagen van de aarde, opgeloste gassen. Wanneer dat magma de oppervlakte nadert, komen die gassen vrij in de omringende lucht.
“De meeste wetenschappers zouden aanvoeren dat deze uitgassing vanuit het magma de belangrijkste input was voor de atmosfeer,” zei Watson. “Om de aard van de atmosfeer ‘in het begin’ te begrijpen, moesten we bepalen welke gassoorten zich bevonden in de magma’s die de atmosfeer aanvoerden.”
Als magma het aardoppervlak nadert, barst het uit of blijft steken in de korst, waar het een wisselwerking aangaat met het omringende gesteente, afkoelt, en kristalliseert tot vast gesteente. Deze bevroren magma’s en de elementen die zij bevatten, kunnen letterlijke mijlpalen zijn in de geschiedenis van de Aarde.
Een belangrijke mijlpaal is zirkoon. In tegenstelling tot andere materialen die in de loop der tijd door erosie en subductie worden vernietigd, zijn bepaalde zirkonen bijna zo oud als de Aarde zelf. Als zodanig kunnen zirkonen letterlijk de hele geschiedenis van de planeet vertellen – als je de juiste vragen weet te stellen.
De wetenschappers probeerden de oxidatieniveaus te bepalen van de magma’s die deze oude zirkonen vormden om, voor de allereerste keer, te kwantificeren hoe geoxideerd de gassen waren die vroeg in de geschiedenis van de Aarde vrijkwamen. Inzicht in het oxidatieniveau zou het verschil kunnen uitmaken tussen smerig moerasgas en het mengsel van waterdamp en kooldioxide waar we nu zo aan gewend zijn, aldus hoofdauteur Dustin Trail van de studie, een postdoctoraal onderzoeker in het Centrum voor Astrobiologie.
“Door de oxidatietoestand te bepalen van de magma’s die zirkoon creëerden, konden we vervolgens de soorten gassen bepalen die uiteindelijk hun weg zouden vinden naar de atmosfeer,” zei Trail.
Om dit te doen hebben Trail, Watson, en hun collega, postdoctoraal onderzoeker Nicholas Tailby, de vorming van zirkonen in het laboratorium nagebootst op verschillende oxidatie niveaus. Ze creëerden letterlijk lava in het lab. Deze procedure leidde tot de creatie van een oxidatiemeter die vervolgens kon worden vergeleken met de natuurlijke zirkonen.
Tijdens dit proces zochten zij naar concentraties van een zeldzaam aardmetaal, cerium genaamd, in de zirkonen. Cerium is een belangrijke oxidatiemeter omdat het in twee oxidatietoestanden kan worden aangetroffen, waarbij de ene meer geoxideerd is dan de andere. Hoe hoger de concentraties van het meer geoxideerde type cerium in zirkonen, hoe meer geoxideerd de atmosfeer waarschijnlijk was na hun vorming.
De kalibraties onthullen een atmosfeer met een oxidatietoestand die dichter bij de huidige omstandigheden ligt. De bevindingen vormen een belangrijk uitgangspunt voor toekomstig onderzoek naar de oorsprong van het leven op aarde.
“Onze planeet is het toneel waarop al het leven zich heeft afgespeeld,” zei Watson. “We kunnen pas over leven op aarde praten als we weten wat dat stadium is. En zuurstofcondities waren van vitaal belang vanwege de invloed die ze hebben op de soorten organische moleculen die kunnen worden gevormd.”
Ondanks het feit dat dit de atmosfeer is waarin leven momenteel ademt, leeft en gedijt, wordt onze huidige geoxideerde atmosfeer momenteel niet gezien als een geweldig startpunt voor leven. Methaan en zijn zuurstofarme tegenhangers hebben veel meer biologisch potentieel om de sprong te maken van anorganische verbindingen naar levensondersteunende aminozuren en DNA. Als zodanig denkt Watson dat de ontdekking van zijn groep theorieën nieuw leven kan inblazen dat misschien die bouwstenen voor het leven niet op aarde zijn ontstaan, maar van elders in het melkwegstelsel zijn aangevoerd.
De resultaten zijn echter niet in strijd met bestaande theorieën over de reis van het leven van anaerobe naar aerobe organismen. De resultaten kwantificeren de aard van gasmoleculen met koolstof, waterstof en zwavel in de vroegste atmosfeer, maar zij werpen geen licht op de veel latere opkomst van vrije zuurstof in de lucht. Er was nog een aanzienlijke hoeveelheid tijd nodig om zuurstof in de atmosfeer op te bouwen via biologische mechanismen, aldus Trail.