Vetenskapsmän från NAI:s New York Center for Astrobiology vid Rensselaer Polytechnic Institute har använt de äldsta mineralerna på jorden för att rekonstruera de atmosfäriska förhållanden som rådde på jorden mycket snart efter dess födelse. Resultaten, som publiceras i det aktuella numret av Nature, är det första direkta beviset på hur planetens forntida atmosfär såg ut strax efter dess bildande och utmanar direkt flera års forskning om vilken typ av atmosfär ur vilken livet uppstod på planeten.
Forskarna visar att jordens atmosfär bara 500 miljoner år efter att den skapades inte var en metanfylld ödemark, vilket tidigare föreslagits, utan i stället var mycket närmare förhållandena i vår nuvarande atmosfär. Resultaten, som presenteras i en artikel med titeln ”The oxidation state of Hadean magmas and implications for early Earth’s atmosphere”, har betydelse för vår förståelse av hur och när livet började på den här planeten och skulle kunna börja någon annanstans i universum.
I årtionden trodde forskarna att atmosfären på den tidiga jorden var starkt reducerad, vilket innebar att syret var starkt begränsat. Sådana syrefattiga förhållanden skulle ha resulterat i en atmosfär fylld av giftig metan, kolmonoxid, vätesulfid och ammoniak. Hittills finns det fortfarande allmänt hållna teorier och studier om hur livet på jorden kan ha byggts upp av denna dödliga atmosfärscocktail.
Nu vänder forskare vid Rensselaer upp och ner på dessa atmosfäriska antaganden med fynd som bevisar att förhållandena på den tidiga jorden helt enkelt inte var gynnsamma för bildandet av den här typen av atmosfär, utan snarare för en atmosfär som dominerades av de mer syrerika föreningar som finns i vår nuvarande atmosfär – inklusive vatten, koldioxid och svaveldioxid.
”Vi kan nu med viss säkerhet säga att många forskare som studerar livets ursprung på jorden helt enkelt valde fel atmosfär”, säger Bruce Watson, institutsprofessor i naturvetenskap vid Rensselaer.
Resultaten vilar på den allmänt spridda teorin att jordens atmosfär bildades av gaser som frigjordes från vulkanisk aktivitet på jordens yta. I dag, liksom under jordens tidigaste dagar, innehåller magma som strömmar från jordens djup upplösta gaser. När magman närmar sig ytan släpps dessa gaser ut i den omgivande luften.
”De flesta vetenskapsmän skulle hävda att denna utgasning från magma var den huvudsakliga tillförseln till atmosfären”, säger Watson. ”För att förstå hur atmosfären såg ut ”i början” behövde vi fastställa vilka gasarter som fanns i magman som tillförde atmosfären.”
När magman närmar sig jordens yta, antingen bryter den ut eller stannar kvar i jordskorpan, där den interagerar med omgivande bergarter, svalnar och kristalliserar till fast berg. Dessa frusna magmer och de grundämnen de innehåller kan vara bokstavliga milstolpar i jordens historia.
En viktig milstolpe är zirkon. Till skillnad från andra material som förstörs med tiden genom erosion och subduktion är vissa zirkoner nästan lika gamla som jorden själv. Som sådana kan zirkoner bokstavligen berätta hela planetens historia – om man vet vilka frågor man ska ställa.
Vetenskapsmännen försökte bestämma oxidationsnivåerna i de magmer som bildade dessa gamla zirkoner för att för första gången någonsin kvantifiera hur oxiderade de gaser var som frigjordes tidigt i jordens historia. Att förstå oxidationsnivån skulle kunna innebära skillnaden mellan otäck sumpgas och den blandning av vattenånga och koldioxid som vi för närvarande är så vana vid, enligt studiens huvudförfattare Dustin Trail, en postdoktoral forskare vid centret för astrobiologi.
”Genom att bestämma oxidationstillståndet hos den magma som skapade zirkon kan vi sedan avgöra vilka typer av gaser som så småningom skulle ta sig in i atmosfären”, säger Trail.
För att göra detta återskapade Trail, Watson och deras kollega, postdoktoral forskare Nicholas Tailby, bildandet av zirkon i laboratoriet vid olika oxidationsnivåer. De skapade bokstavligen lava i laboratoriet. Detta förfarande ledde till skapandet av en oxidationsmätare som sedan kunde jämföras med de naturliga zirkonerna.
Under denna process letade de efter koncentrationer av en sällsynt jordartsmetall som kallas cerium i zirkonerna. Cerium är en viktig oxidationsmätare eftersom den kan finnas i två oxidationstillstånd, där det ena är mer oxiderat än det andra. Ju högre koncentrationer av den mer oxiderade typen cerium i zirkoner, desto mer oxiderad var troligen atmosfären efter deras bildning.
Kalibreringarna avslöjar en atmosfär med ett oxidationstillstånd som ligger närmare dagens förhållanden. Resultaten utgör en viktig utgångspunkt för framtida forskning om livets ursprung på jorden.
”Vår planet är den scen på vilken allt liv har utspelat sig”, säger Watson. ”Vi kan inte ens börja tala om livet på jorden förrän vi vet vad det stadiet är. Och syreförhållandena var oerhört viktiga på grund av hur de påverkar de typer av organiska molekyler som kan bildas.”
Trots att det är den atmosfär som livet för närvarande andas, lever och frodas i, anses vår nuvarande oxiderade atmosfär för närvarande inte vara en bra utgångspunkt för livet. Metan och dess syrefattiga motsvarigheter har mycket större biologisk potential att hoppa från oorganiska föreningar till livsuppehållande aminosyror och DNA. Som sådan tror Watson att hans grupps upptäckt kan ge ny kraft åt teorier om att dessa byggstenar för livet kanske inte skapades på jorden utan levererades från andra platser i galaxen.
Resultaten strider dock inte mot befintliga teorier om livets resa från anaeroba till aeroba organismer. Resultaten kvantifierar arten av gasmolekyler som innehåller kol, väte och svavel i den tidigaste atmosfären, men de kastar inget ljus över den mycket senare uppkomsten av fritt syre i luften. Det fanns fortfarande en betydande tid för syre att bygga upp i atmosfären genom biologiska mekanismer, enligt Trail.