Một trong những bí ẩn chưa được giải đáp về lịch sử Trái đất là cách hành tinh trở nên oxy hóa và dễ thở, hàng tỷ năm trước. Bây giờ, một nghiên cứu mới cho biết thủ phạm có thể là những phiến đá khổng lồ tạo nên lớp vỏ ngoài của Trái đất.
Khi những cái gọi là các mảng này di chuyển, trong một quá trình gọi là kiến tạo mảng, chúng sẽ chôn cất những sinh vật giàu carbon bên dưới các mảng khác khi chúng trượt xuống bên dưới. Trong lớp phủ của Trái đất, dưới lớp vỏ, carbon sẽ không thể phản ứng với oxy, để lại thành phần quan trọng này trong khí quyển, các nhà khoa học cho biết.
Cho đến sự kiện Oxy lớn, bầu khí quyển của hành tinh là hỗn hợp của nitơ, carbon dioxide, hơi nước và khí mê-tan. Sau đó, 2,5 tỷ năm trước, một lớp sinh vật đơn bào bắt đầu sử dụng carbon dioxide đó và tạo ra oxy như một sản phẩm thải. Nhưng oxy có tính phản ứng cao; phản ứng với đá bề mặt và carbon thấm từ phần còn lại của sinh vật chết sẽ nhanh chóng làm cạn kiệt nguyên tố này.
Chôn carbon
Nghiên cứu mới của Megan Duncan và Rajdeep Dasgupta tại Đại học Rice ở Texas đã khẳng định rằng carbon từ các sinh vật chết bị đẩy dưới lớp vỏ Trái đất, hoặc bị hút chìm, tạo thành graphit và kim cương cổ đại. Như vậy, bộ đôi này cho biết, sự kiện Oxy hóa lớn, một phần, được thúc đẩy bởi sự khởi đầu của kiến tạo mảng "hiện đại", trong đó lớp vỏ Trái đất được chia thành các mảng lớn va chạm, chen lấn và trượt qua lại với nhau.
Quá trình này đủ hiệu quả để carbon không có thời gian phản ứng với oxy, vì vậy oxy - sản phẩm thải của tất cả những sinh vật sơ khai đó - đã ở lại trong khí quyển và tích lũy đến mức gần như ngày nay. Kết quả: một bầu không khí phù hợp với những người thở oxy trong tương lai.
"Công việc này bắt đầu bằng cách xem xét các quá trình xảy ra trong các khu vực hút chìm ngày hôm nay", Duncan nói với Live Science. "Và sau đó tự hỏi những gì đã xảy ra trong các khu vực hút chìm cổ đại."
Duncan đã sử dụng mô hình máy tính của khí quyển cho thấy phản ứng giữa carbon dioxide và nước. Khi hai người phản ứng, họ tạo ra oxy phân tử (được tạo thành từ hai nguyên tử oxy) và formaldehyd (một hợp chất được tạo thành từ carbon, hydro và oxy). Formaldehyd không nhất thiết là những gì sinh vật sống thực sự sẽ tạo ra; đó là sự thay thế cho các hợp chất carbon hữu cơ phức tạp hơn, Duncan nói.
Thông thường, phản ứng đó được cân bằng; oxy quay trở lại để tạo ra nhiều carbon dioxide (CO2) và nước hơn, để lại một bầu không khí thiếu oxy. Các nhà nghiên cứu cho biết đó là nơi kiến tạo mảng. Theo nghiên cứu mới, các tấm chen lấn đẩy tất cả formaldehyd dưới lòng đất, khiến không khí có nhiều oxy hơn. Trong khi đó, nếu không có formaldehyd dẫn đến phản ứng hóa học "cân bằng", CO2 dư sẽ tồn tại trong khí quyển, giúp hơi thở CO2 phát triển mạnh và tạo ra nhiều oxy hơn như chất thải, các nhà nghiên cứu tìm thấy trong mô hình máy tính của họ.
Giữ carbon trong kiểm tra
Để kiểm tra giả thuyết của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cả các phép đo carbon cũ hơn trong các thí nghiệm vỏ và phòng thí nghiệm cổ đại. Ví dụ, trong một số kim cương cổ đại, có một lượng carbon-13 nhất định, một đồng vị carbon được tìm thấy trong các mô của các sinh vật sống. Các dữ liệu cho thấy một số lượng carbon hữu cơ rõ ràng đã đưa nó vào lớp phủ (bên dưới lớp vỏ Trái đất), các nhà nghiên cứu cho biết.
Câu hỏi tiếp theo là liệu carbon có ở lại đó không. Duncan làm tan chảy một mảnh thủy tinh silicat và thêm than chì vào nó. Chiếc kính mô phỏng lớp vỏ cổ xưa và than chì đại diện cho carbon từ các sinh vật, Duncan nói. Sau đó, cô đã tăng áp suất và nhiệt độ, bắt đầu từ khoảng 14.800 atm áp suất và tăng nó lên 29.000 atm (tức là khoảng 435.000 pound mỗi inch vuông). Kết quả cho thấy carbon có thể hòa tan trong đá dưới các điều kiện có thể có trong lớp phủ đầu Trái đất, nghiên cứu cho biết. Kết quả cũng cho thấy carbon có khả năng tồn tại dưới lớp vỏ trong hàng triệu năm trước khi núi lửa đốt cháy nó một lần nữa, nghiên cứu cho biết.
Việc xác định cơ chế chính xác cho Sự kiện Oxy lớn sẽ không dễ dàng, Duncan nói, và có khả năng nó liên quan đến một số cơ chế, không chỉ một. Một thách thức là dòng thời gian khi bắt đầu hút chìm, cô nói.
"Nếu các quá trình kiến tạo mảng hiện đại luôn luôn hoạt động, thì điều này không hiệu quả", Duncan nói. Các dòng bằng chứng khác dường như cho thấy Trái đất sơ khai có thể không có kiến tạo mảng ban đầu và quá trình bắt đầu sau đó, Duncan nói thêm.
"Nó cũng phụ thuộc vào lượng carbon hữu cơ đã được loại bỏ khỏi bề mặt", Duncan viết trong email. "Bao nhiêu carbon hữu cơ đã tạo ra đáy đại dương (có thể phụ thuộc vào hóa học đại dương cổ đại). Chúng ta biết điều đó xảy ra ngày hôm nay. Chúng ta có thể đi ra ngoài và đo nó. Chúng ta thấy nó trong những tảng đá cổ xưa, và có khả năng là kim cương, vì vậy chúng ta tin rằng carbon hữu cơ đã có mặt và chìm trong lịch sử Trái đất. "
Vấn đề là đặt giới hạn chính xác về mức độ và tốc độ, cô nói.
Tim Lyons, giáo sư hóa sinh học tại Đại học California Riverside, đã đồng ý rằng việc liên kết mô hình này với hồ sơ được biết đến trong đá là một thách thức. "Một trong những câu hỏi của tôi là liệu những dữ liệu đó có thể được gắn với một hồ sơ mạnh mẽ cho lịch sử của việc hút chìm hay không", Lyons nói.
Duncan nói: "Đã có nhiều cơ chế được đề xuất để gây ra GOE; không có cơ chế nào có thể tạo lại cường độ tăng O2 được ghi nhận từ hồ sơ". "Nó có khả năng là sự kết hợp của nhiều cơ chế trong số này, bao gồm cả hút chìm, cho phép nồng độ O2 tăng lên và được duy trì trong phần còn lại của lịch sử Trái đất."
Nghiên cứu xuất hiện (ngày 25 tháng 4) trên tạp chí Nature Geoscience.
