Titokzatos folyamatok a Föld mélyén: ennek köszönhető a létünk?

A bolygók kialakulása a Naprendszerben

Honnan került egyszeriben oxigén az ősi Föld légkörébe 2.4 milliárd évvel ezelőtt? Bár az általános vélekedés szerint a fotoszintetizáló baktériumok termelték, egy új kutatás szerint inkább 3000 kilométerrel a földfelszín alól pöfögött fel.

Mélyen a felszín alatt, a Föld magjának és köpenyének határán igen extrém körülmények uralkodnak, amelyek egészen más kémiai folyamatokat tesznek lehetővé, mint amilyenekhez a fenti közönséges viszonyok között hozzászoktunk. Az oxigén és a vas mag-köpeny határrégióban zajló átalakulásainak tanulmányozása nemcsak egy olyan rejtély megfejtéséhez adott kulcsot, amely régóta foglalkoztatta a geológusokat, de váratlan módon arra is magyarázatot kínál, honnan tűnhetett fel a Föld addig oxigénmentes légkörében a számunkra nélkülözhetetlen éltető gáz.

Ultraalacsony sebességű zóna

A geológusok ultraalacsony sebességű zónaként (UVZ, ultralow velocity zone) ismerik a mag-köpeny határ azon területeit, amelyekben a környezetüknél jóval, akár 30 százalékkal lassabban terjednek a földmélyi rengéshullámok. Az UVZ-k átmérője több száz, vastagsága néhányszor tíz kilométer, és helyzetük meglehetősen állandó, ám rendhagyó szeizmológiai viselkedésük okát mostanáig nem sikerült tisztázni.

A Föld szerkezete vázlatosan. Belülről kifelé haladva: belső mag, külső mag (ennek külső határán található az UVZ), alsó köpeny, felső köpeny Forrás: Science Photo Library/JOHAN SWANEPOEL / SCIENCE PHOTO LIBRARY/Johan Swanepoel / Science Photo

Bár az UVZ-k túlságosan mélyen húzódnak ahhoz, hogy közvetlenül megfigyelhessük őket, a Föld belsejében terjedő, például a földrengések által keltett szeizmikus hullámokat a kutatók műszeresen mérni tudják, és a hullámterjedés sajátosságaiból következtethetnek azoknak a rétegeknek a szerkezetére, amelyeken a hullámok áthaladnak. Az elv hasonló ahhoz, ahogy az ultrahangos vizsgálat során az orvosok betekintenek a szervezetünk belsejébe. A szeizmikus mérések egyértelműen kirajzolták az UVZ-ket a mag-köpeny határ egyes régióiban: világos volt, hogy a rengéshullámok lelassulnak, miközben ezeken a zónákon áthaladnak. Ám az UVZ-k puszta megfigyelése nem segített megmagyarázni létrejöttük mikéntjét.

A vízbomlás lehet a megoldás

Az amerikai Carnegie Institution for Science munkatársainak a Nature-ben frissen közzétett eredményei szerint a rejtély nyitja a víz, pontosabban, ami a mélybe lekerülő vízzel történik. A földkérgi lemeztektonikus mozgások nyomán víztartalmú ásványok is alábuknak a mélybe, s az ott uralkodó extrém hőmérséklet- és nyomásviszonyok között a víz alkotóelemeire, hidrogénre és oxigénre bomlik. Az így felszabaduló oxigén az elemi állapotú vassal reagálva egy kevéssé ismert, kizárólag nagy nyomáson létező ásvány, a vas-peroxid formájában kötődik meg.

A kutatást vezető Ho-kwang (Dave) Mao és kollégái úgy számítják, hogy évente akár 300 millió tonnányi víz juthat így le a Föld belsejébe, ahol masszív vasperoxid-lerakódásokat hoz létre. Dave Mao szerint ezek a vasperoxid-felhalmozódások felelhetnek meg a mag-köpeny határon észlelhető, a szeizmikus hullámokat lelassító ultraalacsony sebességű zónáknak.

Szeizmikus hullámok a vas-peroxidban

Az elmélet bizonyítása céljából a kutatócsoport az Argonne National Laboratory csúcstechnológiás eszközeinek segítségével vizsgálta a szeizmikus hullámok terjedését a vas-peroxidban. A speciális ásványt a Föld mélyére jellemző nyomás- és hőmérsékletviszonyokon – gyémánt satupofák közé szorítva, lézerrel hevítve – hozták létre. Méréseik szerint a normális köpenykőzetbe 40-50 százaléknyi vas-peroxidot elegyítve pontosan reprodukálhatók a rejtélyes UVZ hullámvezetési tulajdonságai.

A bolygók kialakulása a Naprendszerben Forrás: leemage/©Don Dixon/Novapix/Leemage/Don Dixon

A csoport számára azonban legalább ennyire izgalmas a felfedezésnek az az aspektusa, hogy mélyen a Föld belsejében, a mag-köpeny határrétegben óriási oxigéntartalékok halmozódhattak fel a földtörténeti múltban. Az innen időközönként előtörő gáz képes lehetett számottevően megváltoztatatni a légkör összetételét, ezért a szerzők elképzelhetőnek tartják, hogy ez a jelenség indította el a légköri oxigén mennyiségének hirtelen és drámai mértékű növekedését nagyjából 2.4 milliárd évvel ezelőtt.

Nagy Oxigenizációs Esemény

Ez a felvetés persze enyhén szólva unortodox, már-már eretnek, hiszen a Nagy Oxigenizációs Eseményt – ahogy a földtörténészek hívják – a tudományos konszenzus egyértelműen az élővilág tevékenységéhez, konkrétan a fotoszintetizáló baktériumok elterjedéséhez kapcsolja. A fotoszintézis fejlett formájában, amelyet a kékbaktériumok már több mint másfél milliárd évvel a szárazföldi növények megjelenése előtt professzionálisan műveltek, a víz ugyanúgy alkotóelemeire bomlik, mint a forrongó földmélyben, csak ez esetben a vízbontáshoz az energiát nem a hő, hanem a nap fénye szolgáltatja.

Az általánosan elfogadott elmélet szerint, amikor a kékbaktériumok mintegy 2.7 milliárd éve megkezdték az oxigén termelését, a keletkező gáz az első néhány százmillió év alatt először eloxidált minden földfelszíni ásványt (leginkább a vastartalmúakat – ezért nevezik ezt a folyamatot „a Föld rozsdásodásának" is), és amikor már nem maradt mit eloxidálni, a feleslegben maradó oxigén rohamos tempóban felhalmozódott az eredetileg szinte teljesen oxigénmentes légkörben.

Élet az ősi Földön Forrás: leemage/©Ron Miller/Novapix/Leemage/Ron Miller

A következmények igencsak drámaiak voltak, hiszen a többi, oxigénmentes körülményekhez alkalmazkodott létformára nézve a vegyileg agresszív oxigén halálos fenyegetést jelentett. Ráadásul az erős üvegházhatású metán az oxidatív légkörben a gyengébb üvegházhatású széndioxidra cserélődött, s ez a váltás a földtörténet leghosszabban tartó, 300 millió éves jégkorszakát idézte elő. Összességében elmondható, hogy az oxigén megjelenése közvetlen és közvetett hatásain keresztül kis híján kiirtotta a földi életet. Más kérdés, hogy ugyanez az oxigén tette végül lehetővé az energiaigényesebb, komplex létformák kifejlődését.

Elsőre nehéz látni, hogy ebbe a képbe hogyan illeszthető bele a Carnegie tudósainak felvetése, amely az oxigenizációt az élővilágtól független, tisztán geológiai folyamatokkal magyarázná. Tény, hogy a kékbaktérium-elméleten is akadnak rések, például, hogy mi történt a kékbaktériumok megjelenése és a Nagy Oxigenizáció között eltelt mintegy 900 millió évben. Bár erre is születtek már meggyőző magyarázatok, Dave Mao és munkatársai talán ebbe a kirakós játékba illeszthetnek most egy új elemet.