Das "Great Oxygen Event" an der Wende der Archaea und des Proterozoikums war weder ein großes Ereignis noch ein Ereignis. • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Geochemie, Mikrobiologie

Das „Great Oxygen Event“ an der Wende des Archaikums und des Proterozoikums war weder ein großes noch ein Ereignis

Abb. 1. Archaea ist die älteste (3,7-2,5 Milliarden Jahre) Ära auf unserem Planeten: trübe Sonne, dicke Wolken, seichtes, mit Schwefelwasserstoff gesättigtes Meer, Bakterienfilme mit Regenbogenscheidungen auf ihrer Oberfläche … Wir brauchen neue Forschung und neue Ansätze, um besser kennenzulernen diesmal. Abbildung von der Website discoveryearth.ru

Im Jahr 2002 vereinigte Heinrich Holland (Heinrich Holland) eine Reihe von Phänomenen, die mit der archaischen und proterozoischen Grenze unter dem Namen Großes Oxigenationsereignis verbunden waren. Die verfügbaren Daten machten es möglich, diese Grenze auf folgende Weise darzustellen: den Beginn der Aktivität photosynthetischer Organismen, die Ansammlung von Sauerstoff in Verbindung damit und die allmähliche Umwandlung des Planeten von reduzierend zu oxidierend. Nachfolgende Arbeiten haben dieses Modell erheblich korrigiert. Photosynthetische Organismen, die Sauerstoff emittieren, entstanden in der Morgendämmerung des archaischen Lebens, aber freier Sauerstoff an der Wende des Archaischen und Proterozoikums erschien aufgrund von Veränderungen in der Natur des terrestrischen Vulkanismus. 90% seines Lebens hatte der Planet eine praktisch sauerstofffreie Hydrosphäre und Atmosphäre, während der proterozoische Sauerstoffgehalt wesentlich geringer war als bisher angenommen und extrem flüchtig.

In den 1950er Jahren begannen sich Daten über den Frühproterozoischen Sauerstoffsprung (die Sauerstoffkatastrophe oder das Große Oxigenationsereignis, das Große Sauerstoffereignis) zu häufen. Die Idee war, dass sich die frühe Atmosphäre des Planeten verringerte, und dann vor 2,6-2,2 Milliarden Jahren begannen die Atmosphäre und der Ozean allmählich den freien Sauerstoff zu erhöhen. Sauerstoff wurde als Nebenprodukt der Photosynthese gebildet: Für Energie verwendeten sie die am leichtesten verfügbare Substanz auf dem Planeten – Wasser. Ein solches Modell basierte auf geochemischen Daten. Als Hauptbestandteil wurde ein hoher Gehalt in den archaischen Gesteinen des bivalenten (oxidierten) Eisens in Form von Pyrit (FeS2), Magnetit (Fe3O4) Siderit (FeCO3). Gleichzeitig konnten Pyritkörner gut eingefahren werden, und folglich wurden sie einem aktiven Einfluss von Oberflächengewässern und der Atmosphäre ausgesetzt. Auch die Anwesenheit von Graphit (nicht oxidierter Kohlenstoff), Lapislazuli (Na2S – nichtoxidierter Schwefel) sowie Eisen-Mangan-Erze. Letztere werden hauptsächlich unter sauerstoffarmen Bedingungen gebildet, da Eisen und Mangan im nicht oxidierten Zustand zusammen wandern und Eisen mit erhöhtem Sauerstoffgehalt an Mobilität verliert und ihre Wege divergieren.Ende der sechziger Jahre wurde ein weiterer wichtiger Beweis für die reduzierende Atmosphäre auf der alten Erde vorgelegt: die sedimentären Uraninit-Konglomerate. Sie konnten sich nur in Abwesenheit von Sauerstoff anreichern, so dass sie nur in den ältesten Gesteinen vorkommen. In den Proterozoischen Gesteinen dominierten Minerale mit einem hohen Grad an Oxidation der Elemente, Eisen-Mangan-Erze und Uraninite verschwanden. Aber es gab seltene Elemente, die in sedimentären Mineralien in Gegenwart von Sauerstoff enthalten sind.

Die Überprüfung und Verfeinerung dieser Hypothese dauerte die nächsten vier Jahrzehnte. Was hat die Sauerstoff-Revolution verursacht? Was sind die Daten dieser Veranstaltung? Wohin ging der Sauerstoff vor der großen Sauerstoff-Revolution und war es überhaupt? Warum war die Injektion von Sauerstoff an der Wende des Archaikums und des Proterozoikums relativ schnell, und die Akkumulation von Sauerstoff verlief langsam? Welche Rolle spielen lebende Organismen in diesem Prozess? All diese Fragen sollten nach Antworten suchen. Auf den Seiten Natur Timothy Lyons und seine Kollegen von der University of California in Riverside fassten zusammen, was sie gelernt hatten.Das Bild ist, wie sich herausstellt, komplizierter und interessanter als das ursprüngliche einfache Modell, das schematisch in Abb. 2

Abb. 2 Also wurden die Daten zum Sauerstoff auf der Erde nach dem vorher angenommenen Modell zusammengefasst. Im Archaikum zeigten sich Photosynthetics, die Sauerstoff produzierten (dies ist die oxygene Photosynthese). Aufgrund ihrer Aktivitäten waren der Ozean und die Atmosphäre an manchen Stellen mit Sauerstoff angereichert, aber ihre Aktivität war sekundär zu den vorherrschenden anaeroben Prozessen. An der Grenze zwischen Archaikum und Proterozoikum (2,4-2,3 Milliarden Jahre) wird Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt, der Sauerstoffgehalt wird schnell (auf einer geologischen Skala) auf 0,01 vom modernen Niveau (PAL – Present Atmosphere Level) eingestellt und bleibt so für total proterozoisch. Es wird angenommen, dass Sauerstoff für die Oxidation von Metallen im Kortex, hauptsächlich Eisen, verwendet wird. Im späten Proterozoikum (vor 800-600 Millionen Jahren) steigt der Sauerstoffgehalt wieder an, da das gesamte Eisen bereits zu dieser Zeit oxidiert war. Erhöhte Sauerstoffkonzentrationen geben Impulse für die Entwicklung multizellulären Lebens. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Natur

Im Zusammenhang mit den Diskussionen dieses Modells sollte zunächst einmal festgelegt werden Frage nach der Datierung Sauerstoff-Ereignisse: Wann ist das passiert? Beantworten Sie diese Frage in der Regel auf Daten zur Fraktionierung von Schwefel.Aufgrund der unterschiedlichen Reaktivität sammeln sich Schwefel-Isotope in bestimmten Anteilen in Mineralien an – das ist das Wesen der Isotopenfraktionierung. Bei diesen Verhältnissen werden die Fraktionierungsmechanismen beurteilt: mechanisch, entsprechend der Masse der Isotope (dies ist eine massenabhängige Fraktionierung) oder biologisch (dies ist eine massenunabhängige Fraktionierung). Das Signal einer Änderung der massenunabhängigen Fraktionierung zur massenabhängigen Fraktionierung ist in Archaischen und Proterozoischen Gesteinen gut ablesbar. Es wurde angenommen, dass eine massenunabhängige Fraktionierung von Bakterien-Sulfat-Reduktionsmitteln bereitgestellt wurde: Sie bevorzugten leichtere Isotope für ihre Bedürfnisse. Daher wurde die archaische Zeit mit einem massenunabhängigen Signal als die anaerobe Welt der Sulfatreduzierer angesehen. Und wenn in der darauffolgenden Sauerstofffülle ihre reduzierende Welt in winzige Enklaven zusammenschrumpfen sollte, dann hörte die biologische Fraktionierung von Schwefel praktisch auf. Und auf diesem Signal ist der Beginn der Großen Sauerstoffrevolution datiert. Es konnte jedoch schön nachgewiesen werden, dass die Verschiebung von der massenunabhängigen zur massenabhängigen Fraktionierung von Schwefelisotopen überhaupt nicht auf den Umstieg von Sulfatreduzierern aus ihrer Dominante zurückzuführen istPositionen (dazu, siehe die Nachrichten. Die ältesten archaischen Bakterien waren keine Sulfat-Reduktionen, "Elements", 28.09.2012). Dieser Übergang war mit Veränderungen in der archeanischen Atmosphäre verbunden (Transparenz, Dichte, Arten und Volumen der vulkanischen Emissionen). Dies bedeutet nicht, dass es keine Sulfatreduzierer gab, dies bedeutet nicht, dass es keine biologische, massenunabhängige Schwefelfraktionierung gab. Dies bedeutet, dass die Datierung von Schwefelfraktionierungsereignissen nicht mit der Sauerstoffrevolution in Verbindung gebracht werden sollte. Sulfatreduzierer nehmen ihren eigenen Verlauf, und die Schwefelfraktion gehört nicht zu ihr, und es ist nicht bekannt, wo sich die Sauerstoffversorgung befindet. Darüber hinaus kann das Signal der massenunabhängigen Fraktionierung aufgrund der konstanten geologischen Zirkulation von Schwefel mit der Zeit "verschmiert" werden. Mineralien, die das eine oder andere Signal der Fraktionierung tragen, könnten in älteren Zeiten gebildet worden sein, dann würden sie vergraben werden und dann wieder an die Oberfläche aufsteigen. So kann ein altes Signal in jüngeren Proben erscheinen. Daher ist es heute zum einen schwierig, das Signal der massenunabhängigen Fraktionierung mit einer bestimmten Zeit, zum anderen mit einem spezifischen biologischen Mechanismus und drittens mit einem Sauerstoffereignis zu verknüpfen.

Ein anderer möglicher Ansatz zur Datierung eines Sauerstoffereignisses basiert auf der Suche nach Spuren von Sauerstoffproduzenten – Cyanobakterien und anderen chlorophyllhaltigen Organismen. Auf diese Weise können Sie zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen – und die Zeit des Beginns der Sauerstoffära schätzen und abschätzen, wer dahinter steckt. Paläontologen finden viele archeanische Mineralien, die als solche oder andere Mikroorganismen interpretiert werden. Aber ihre Morphologie ist so einfach, dass es schwer ist, mit Sicherheit zu sagen, dass ihr Metabolismus auf der Photosynthese von Sauerstoff basiert.

Es wurde auch angenommen, dass man sich in den Argumenten über das archaische Leben auf Daten über Biomarker verlassen kann – Moleküle, die spezifisch auf eine bestimmte Art von Metabolismus und / oder Art von Mikroorganismen hinweisen. Dies sind zum Beispiel die Steran-Moleküle, die nur Eukaryoten inhärent sind; für ihre Synthese benötigt Sauerstoff. Sterans entdeckt in den Felsen, 2.7 Milliarde Jahre alt. Während Wissenschaftler diskutierten, ob Sauerstoff für die Synthese von Steranen notwendig ist, und falls notwendig, in welcher Menge, stellte sich heraus, dass die Sterane, die sie gerührt haben, die neueste Verunreinigung sind (lesen Sie dazu in den Nachrichten die ältesten Spuren von Eukaryoten und Cyanobakterien auf der Erde) "29.10.2008)Darüber hinaus werfen einige neuere Arbeiten Zweifel hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Biomarkerdaten auf: Viele von ihnen könnten sich später als Verschmutzung herausstellen. Aber das bedeutet nicht, dass es keine Photosynthetics gab. Sie waren und sogar mit hoher Wahrscheinlichkeit.

Um seine Annahmen zu bestätigen, schlagen Lyons und seine Kollegen vor, dem Graphen der Verteilung organischer Substanz in archaischen Sedimentgesteinen Aufmerksamkeit zu schenken (Abbildung 3).

Abb. 3 Verteilung (kumulative Häufigkeit ist auf der Ordinatenachse aufgetragen f) gesamter organischer Kohlenstoff TOC (Total Organic Carbon) in archaischen Sedimentgesteinen (rote gepunktete Linie) verglichen mit Neogen (schwarze Linie). Die Ähnlichkeiten zwischen ihnen sind schwer zu übersehen. Vertikale Linien Gemittelte Kohlenstoffgehalte werden notiert. Zeitplan von Artikel in der Diskussion Natur

Erstaunlich Organischer Kohlenstoff im Archaikum wurde ebenso produziert wie im bewohnten Neogen. Theoretisch können die Produzenten dieser organischen Chemie Eisen-oxidierende Eisen darstellen und oxidieren2+ zu Fe3+ und Sulfat-Reduktionsmittel, die Schwefelwasserstoff oxidieren, und einige andere exotische Foto- und Chemosynthetika. Aber geochemische Daten erlauben nicht, diese Erzeuger entscheidende Kraft zu betrachten.Dennoch muss man sich zunächst der Sauerstoff-Photosynthese zuwenden, um die hohe Produktion organischer Substanz im Archaikum zu erklären. Folglich war die Photosynthese im Archaikum bereits in vollem Gange. Diese Schlussfolgerung basiert mehr auf Logik als auf tatsächlichen Daten. Obwohl es den Beginn des Sauerstofflebens tief in die Archaeen hineindrängt, trägt es nicht dazu bei, die Ereignisse der Sauerstoffrevolution zu datieren.

Abb. 4 Kohlenstoff-13-Isotopenkurven (schwarz) und Schwefel-33 (rosa und graue Punkte): Diese Kurven stimmen nicht gut miteinander überein, ihre Hauptschwingungen treten zu unterschiedlichen Zeiten auf. Die Kurve der Schwefelisotope zeigt deutlich den Übergang von der massenunabhängigen Fraktionierung zur Massenabhängigkeit. Starke Schwankungen im frühen und späten Proterozoikum sind auf der Kohlenstoffisotopenkurve deutlich sichtbar. Zeitplan von Artikel in der Diskussion Natur

Veränderungen in der Natur der organischen Synthese wurden durch scharfe Sprünge in der δ-Isotopenkurve beurteilt13C (Abb. 4). Im frühen Proterozoikum vor etwa 2,4 Milliarden Jahren zeigte sich auf der Kurve ein hoher positiver Exkurs (dh es gab einen Anstieg des Anteils der vergrabenen biologischen Kohlenstoffproduktion) und etwa 2,2-2,1 – negativ.Es stellt sich heraus, dass der frühe proterozoische Peak δ13Mit asynchron, was bedeutet, dass es nicht einfach als verbreiteter Anstieg der ökologischen Produktion interpretiert werden kann. Vielmehr sollte die Zunahme an vergrabener organischer Substanz als das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen den Prozessen der Akkumulation (Vergraben) und Zersetzung organischer Substanz angesehen werden. Es ist klar, dass, wenn diese beiden Prozesse mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen, sich nichts ansammelt und nicht begraben wird, was bedeutet, dass wir wahrscheinlich kein Signal erhalten werden. Die Verschiebung der Isotopenkurve wird als Verletzung dieses Gleichgewichts in Akkumulationsrichtung interpretiert.

Sauerstoff entsteht auf jeden Fall, wird aber schnell für die Oxidation einiger Produkte verbraucht. Im Archaikum, so die Autoren des Artikels, waren diese Produkte wahrscheinlich vulkanische Gase – Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Methan und Wasserstoff. Veränderungen in der Natur des Vulkanismus reduzierten den Fluss dieser Gase, Sauerstoff begann sich schließlich zu sammeln. All dies zusammen deutet darauf hin, dass das "Große Sauerstoff-Ereignis" als ein Ergebnis von Veränderungen in vulkanischen Prozessen und geochemischen Verhältnissen betrachtet werden sollte, und nicht als Änderung der biologischen Aktivität und des Metabolismus.

Von diesen Positionen aus ist es günstig, den Beginn der Huroneneiszeit zu deuten, wahrscheinlich die erste Vergletscherung, die den Planeten in einen Schneeball verwandelte. Während der Veränderungen der vulkanischen Aktivität begannen zum einen weniger Methan und andere Treibhausgase in die Atmosphäre einzudringen, und zum anderen wurde Methan durch den auftretenden Sauerstoff schnell oxidiert. Für den damaligen Planeten mit seiner trüben Sonne (die Leuchtkraft der Sonne im Archaikum war 70-80% der Moderne) stellte sich der Rückgang der Treibhausgase als kritisch heraus: Ein langer Frost kam auf, der Planet erstarrte.

Überraschenderweise, nach dem Sauerstoffereignis an der Wende von Archaikum und Proterozoikum (es ist bereits klar, dass es nicht groß genannt werden sollte, da es selbst kein Ereignis gab), stieg Sauerstoff nicht allmählich an, wie man es zu Beginn der Photosynthese erwarten würde. Die Menge an Sauerstoff nahm dann ab, stieg dann wieder an, die planetarischen Vereisungen kamen manchmal und endeten dann … Vor etwa 2,08-2,06 Milliarden Jahren nahm die Menge an Sauerstoff stark ab. Dementsprechend sank die Menge an vergrabenen Bioorganika. Die Gründe für diese Sprünge sind noch unbekannt.Die Anwesenheit von nicht oxidiertem Chrom und Mangan in proterozoischen Paläoölen ist ebenfalls alarmierend: In Gegenwart von Sauerstoff müssten diese Metalle extrem schnell oxidieren.

Die Hypothese der Existenz eines geschichteten Ozeans mit oberflächengesättigtem Sauerstoff und mit Schwefelwasserstoff gesättigtem Tiefenwasser (das Schwarzmeermodell) erwies sich ebenfalls als unhaltbar. Höchstwahrscheinlich befanden sich die Schwefelwasserstoffschichten in flachen Gewässern (Abb. 5). Und das war genau das Ergebnis des aktiven Lebens und der hohen organischen Produktion der seichten Gewässer der photischen Zone. Obwohl natürlich die Sauerstoffschichtung des Ozeans stattgefunden hat.

Abb. 5 Ungefähr die Verteilung von Sauerstoff, Eisen (II) und Schwefelwasserstoff im Archaikum und Proterozoikum im Ozean wird auf diese Weise dargestellt. In Archea (auf der linken Seite) Es gab einen niedrigen Sauerstoffgehalt im gesamten Ozean, das Leben in der photischen flachen Zone entwickelte sich und erhöhte den Schwefelwasserstoffgehalt und das oxidierende Eisen. Im frühen proterozoischen (im Zentruma) Die Entwicklung des Lebens und die Zunahme des Sauerstoffgehalts in den Oberflächenschichten auf die eine oder andere Art führten zur Entwicklung einer Schwefelwasserstoffschicht im Flachwasser und zur Konzentration von Eisen (II).In den tiefen Schichten des Ozeans hat sich nichts verändert. Im späten Proterozoikum (auf der rechten Seite) Oxygenierung von Tiefenwasser tritt auf, bivalentes Eisen wird in allen Schichten des Ozeans exotisch. Schemata des Artikels zur Diskussion in Natur

Als Ergebnis der Zusammenfassung all dieser Daten und Schlussfolgerungen, stellt sich heraus, dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und im Ozean während des Proterozoikums nicht konstant war. Im Vergleich zum Archaikum nahm er leicht zu, obwohl er relativ niedrig blieb – niedriger als bisher angenommen. Es ist erwähnenswert, dass keine besonderen Veränderungen der Biota mit Sauerstoffschwankungen verbunden sind.

Abb. 6 Moderne Ideen über die Geschichte des Sauerstoffs auf der Erde. Siehe Erläuterungen im Text. Schema des Artikels zur Diskussion in Natur

So erscheint die Geschichte des Sauerstoffs auf dem Planeten etwas anders als bisher angenommen (Abb. 6). Die Photosynthese von Sauerstoff und dementsprechend die Verwendung von Photosynthetics existierten seit den frühesten archaischen Zeiten. Freier Sauerstoff – die Nebenprodukte ihres Stoffwechsels – könnten sich lokal anreichern (blaue Pfeile im Diagramm), aber der Umfang der frühen Photosynthese auf dem Planeten ist immer noch schwer abzuschätzen.All dieser Sauerstoff wurde für die Oxidation von organischen Stoffen und anderen Elementen, insbesondere von vulkanischen Gasen, verwendet. Veränderungen in der Natur des Vulkanismus auf dem Planeten begannen im späten Archaikum. Sie waren mit der Bildung und Stabilisierung kontinentaler Platten verbunden. Als Ergebnis dieser geologischen Prozesse wurde das Gleichgewicht der Sauerstoffzufuhr und deren Entfernung stark gestört: freier Sauerstoff strömte in die Atmosphäre. Diese zusammenhängenden Prozesse nahmen viel Zeit in Anspruch und fanden nicht am Ende des Archaikums durch die Magie des "photosynthetischen" Zauberstabs statt. Während des Proterozoikums variierte der Sauerstoffgehalt manchmal um eine Größenordnung, blieb aber im Durchschnitt niedrig. Die tiefen Schichten des Ozeans blieben sauerstofffrei. Am Ende des Proterozoikums war der Ozean bis in die Tiefe mit Sauerstoff gesättigt.

Der zweite Sauerstoffsprung am Ende des Proterozoikums bleibt ein Rätsel. Das Auftreten von vielzelligem Leben ist damit verbunden. Paradoxerweise ist es in Gegenwart einer großen Anzahl von Sedimenten dieses Alters und entsprechend einer beeindruckenden Menge von Daten über dieses kritische Intervall schwierig, ein vollständiges Modell dieser Sauerstoffverschiebung zu formulieren.Es ist wichtig, dass kurz davor eine große Menge organischer Ablagerungen mit leichten Isotopen angereichert wurde, und dann folgte eine große Vereisung, und der Planet verwandelte sich in eine Schneekugel. Nach der Vergletscherung wurde organisches Material mit niedrigem Isotopensignal begraben 13Mit anderen Worten, die Reihe der globalen Ereignisse ähnelt derjenigen, die zur Frühproterozoischen Sequenz gehört. Es ist klar, dass auch in diesem Fall das Gleichgewicht zwischen der Produktion und dem Abfluss von Sauerstoff gestört werden könnte.

Die Umfrage zeigt deutlich, dass unser Wissen über die ältesten Zeiten unseres Planeten unvollständig oder sogar schrecklich arm ist. Es bleibt nur, um auf zukünftige Forscher zu hoffen, und dieses hartnäckige Material enthüllt ihnen immer noch seine Geheimnisse.

Quelle: T. W. Lyons, C. T. Reinhard und N. J. Planavsky. Die Atmosphäre des Ozeans Natur. 2014. V. 506. P. 307-315.

Elena Naimark


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