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¿Respiración? Gracias volcanes, tectónica y bacterias

Oxigeno: La atmósfera respirable de la Tierra es clave para la vida, y un nuevo estudio sugiere que el primer estallido de oxígeno fue agregado por una serie de erupciones volcánicas provocadas por la tectónica.

La evolución de la vida como se muestra en un mural en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Mountain View, California. 

Oxigeno: atmósfera con oxígeno hace 2.500 millones de años

Oxigeno: El aumento de oxígeno de un oligoelemento a un componente atmosférico primario fue un desarrollo evolutivo importante.

El estudio realizado por geocientíficos de la Universidad de Rice ofrece una nueva teoría para ayudar a explicar la aparición de concentraciones significativas de oxígeno en la atmósfera de la Tierra hace unos 2.500 millones de años, algo que los científicos llaman el Gran Evento de Oxidación (GOE). 

La investigación aparece esta semana en Nature Geoscience.

Oxigeno: «Lo que lo hace único es que no se trata solo de explicar el aumento del oxígeno», dijo el autor principal del estudio James Eguchi, becario postdoctoral de la NASA en la Universidad de California, Riverside, quien realizó el trabajo para su doctorado. disertación en Rice. 

“También está tratando de explicar alguna geoquímica de superficie estrechamente asociada, un cambio en la composición de los isótopos de carbono, que se observa en el registro de roca de carbonato un tiempo relativamente corto después del evento de oxidación. 

Estamos tratando de explicar cada uno de ellos con un mecanismo único que involucra el interior profundo de la Tierra, la tectónica y la desgasificación mejorada del dióxido de carbono de los volcanes».

Los coautores de Eguchi son Rajdeep Dasgupta, un geoquímico experimental y teórico y profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra, Ambientales y Planetarias de Rice, y Johnny Seales, un estudiante graduado de Rice que ayudó con los cálculos del modelo que validaron la nueva teoría.

Los científicos han señalado durante mucho tiempo la fotosíntesis, un proceso que produce oxígeno residual, como una fuente probable de aumento de oxígeno durante el GOE. 

Oxigeno: atmósfera con oxígeno hace 2.500 millones de años

Dasgupta dijo que la nueva teoría no descarta el papel que los primeros organismos fotosintéticos, las cianobacterias, jugaron en el GOE.

Los geocientíficos (desde la izquierda) James Eguchi, Johnny Seales y Rajdeep Dasgupta publicaron una nueva teoría que intenta explicar la primera aparición de concentraciones significativas de oxígeno en la atmósfera de la Tierra hace unos 2.500 millones de años, así como un cambio desconcertante en la proporción de isótopos de carbono en minerales de carbonato que siguieron

«La mayoría de la gente piensa que el aumento de oxígeno está relacionado con las cianobacterias, y no están equivocados», dijo. 

La aparición de organismos fotosintéticos podría liberar oxígeno. 

Pero la pregunta más importante es si el momento de esa emergencia se alinea con el momento del Gran Evento de Oxidación. 

Resulta que no lo hacen.

Las cianobacterias estaban vivas en la Tierra hasta 500 millones de años antes del GOE. 

Si bien se han ofrecido varias teorías para explicar por qué podría haber tardado tanto en aparecer el oxígeno en la atmósfera, Dasgupta dijo que no está al tanto de ninguna que haya tratado simultáneamente de explicar un cambio marcado en la proporción de isótopos de carbono en el carbonato minerales que comenzaron unos 100 millones de años después del GOE. 

Los geólogos se refieren a esto como el Evento Lomagundi, y duró varios cientos de millones de años.

Uno de cada cien átomos de carbono es el isótopo carbono-13, y los otros 99 son carbono-12. 

Esta proporción de 1 a 99 está bien documentada en carbonatos que se formaron antes y después de Lomagundi, pero los que se formaron durante el evento tienen aproximadamente un 10% más de carbono 13.

Eguchi dijo que la explosión en las cianobacterias asociadas con el GOE ha sido vista por mucho tiempo como un papel en Lomagundi.

«Las cianobacterias prefieren tomar carbono 12 en relación con el carbono 13», dijo. 

«Entonces, cuando comienzas a producir más carbono orgánico, o cianobacterias, entonces el depósito a partir del cual se producen los carbonatos se agota en carbono 12».

Eguchi dijo que la gente trató de usar esto para explicar Lomagundi, pero el tiempo nuevamente fue un problema.

Esta figura ilustra cómo el carbono inorgánico recorre el manto más rápidamente que el carbono orgánico, que contiene muy poco del isótopo carbono-13. 

Tanto el carbono inorgánico como el orgánico se dibujan en el manto de la Tierra en las zonas de subducción (arriba a la izquierda). 

Debido a los diferentes comportamientos químicos, el carbono inorgánico tiende a regresar a través de erupciones en volcanes de arco sobre la zona de subducción (centro). 

El carbono orgánico sigue una ruta más larga, ya que se introduce profundamente en el manto (abajo) y regresa a través de los volcanes de las islas oceánicas (derecha). 

Las diferencias en los tiempos de reciclaje, en combinación con un mayor volcanismo, pueden explicar las firmas de carbono isotópicas de rocas que están asociadas con el Gran Evento de Oxidación, hace unos 2.400 millones de años, y el Evento de Lomagundi que siguió. 

Oxigeno: atmósfera con oxígeno hace 2.500 millones de años

«Cuando realmente observa el registro geológico, el aumento en la relación carbono-13-carbono-12 en realidad ocurre hasta 10s de millones de años después del aumento de oxígeno», dijo. 

«Entonces se hace difícil explicar estos dos eventos a través de un cambio en la relación de carbono orgánico a carbonato».

El escenario al que llegaron Eguchi, Dasgupta y Seales para explicar todos estos factores es:

  • Un aumento dramático en la actividad tectónica condujo a la formación de cientos de volcanes que arrojaron dióxido de carbono a la atmósfera.
  • El clima se calentó, aumentando las precipitaciones, lo que a su vez aumentó el «desgaste», la descomposición química de los minerales rocosos en los continentes áridos de la Tierra.
  • La meteorización produjo una escorrentía rica en minerales que se vertió en los océanos, apoyando un auge tanto en las cianobacterias como en los carbonatos.
  • El carbono orgánico e inorgánico de estos terminó en el fondo marino y finalmente se recicló de nuevo al manto de la Tierra en las zonas de subducción, donde las placas oceánicas se arrastran debajo de los continentes.
  • Cuando los sedimentos se fundían en el manto, el carbono inorgánico, alojado en carbonatos, solía liberarse temprano, volviendo a ingresar a la atmósfera a través de volcanes de arco directamente sobre las zonas de subducción.
  • El carbono orgánico, que contenía muy poco carbono 13, fue atraído profundamente hacia el manto y emergió cientos de millones de años más tarde como dióxido de carbono de los volcanes de las islas como Hawai.

«Es una especie de gran proceso cíclico», dijo Eguchi. 

Creemos que la cantidad de cianobacterias aumentó hace unos 2.400 millones de años. 

Entonces eso impulsaría nuestro aumento de oxígeno. 

Pero el aumento de las cianobacterias se equilibra con el aumento de los carbonatos. 

De modo que la relación carbono-12-carbono-13 no cambia hasta que tanto los carbonatos como el carbono orgánico, de las cianobacterias, se subducen profundamente en la Tierra. 

Cuando lo hacen, la geoquímica entra en juego, haciendo que estas dos formas de carbono residan en el manto durante diferentes períodos de tiempo. 

Los carbonatos se liberan mucho más fácilmente en los magmas y se vuelven a liberar en la superficie en un período muy corto. 

Lomagundi comienza cuando el primer carbono enriquecido en carbono 13 de los carbonatos regresa a la superficie, y termina cuando el carbono orgánico enriquecido en carbono 12 regresa mucho más tarde, reequilibrando la relación.

Oxigeno:Eguchi dijo que el estudio enfatiza la importancia del papel que los procesos profundos de la Tierra pueden desempeñar en la evolución de la vida en la superficie.

La atmósfera de la Tierra vista desde la Estación Espacial Internacional el 20 de julio de 2006.

Oxigeno: atmósfera con oxígeno hace 2.500 millones de años

«Estamos proponiendo que las emisiones de dióxido de carbono sean muy importantes para esta proliferación de la vida», dijo. 

«Realmente está tratando de vincular cómo estos procesos más profundos han afectado la vida de la superficie en nuestro planeta en el pasado».

Dasgupta también es el investigador principal en un esfuerzo financiado por la NASA llamado CLEVER Planets que está explorando cómo los elementos esenciales para la vida podrían unirse en exoplanetas distantes. 

Dijo que comprender mejor cómo la Tierra se volvió habitable es importante para estudiar la habitabilidad y su evolución en mundos distantes.

«Parece que la historia de la Tierra exige que la tectónica desempeñe un papel importante en la habitabilidad, pero eso no significa necesariamente que la tectónica sea absolutamente necesaria para la acumulación de oxígeno», dijo. 

«Puede haber otras formas de construir y mantener el oxígeno, y explorarlas es una de las cosas que estamos tratando de hacer en los planetas CLEVER».

La investigación fue apoyada por la National Science Foundation, la NASA y el Deep Carbon Observatory.

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