Pradawne bąbelki w krysztale soli odsłoniły skład atmosfery sprzed 1,4 mld lat. To, co znaleźli nie mieści się w głowie.
W Kanadzie znaleziono kryształy soli, które działają jak naturalne kapsuły czasu. W ich wnętrzu utknęły krople wody i bąbelki powietrza sprzed około 1,4 mld lat. Zespół badaczy zdołał je otworzyć i zmierzyć zawartość gazów. Okazało się, iż Ziemia miała wtedy o wiele więcej dwutlenku węgla i zaskakująco dużo tlenu – dość, by teoretycznie utrzymać złożone życie, które pojawi się dopiero setki milionów lat później.
Subtropikalne jezioro, które zmieniło się w kapsułę czasu
Ponad miliard lat temu na terenie dzisiejszej północnej Kanady istniało płytkie subtropikalne jezioro, bardziej przypominające wysychające zbiorniki ze strefy pustyń niż współczesne jeziora polodowcowe. Z czasem woda odparowała, roztwór soli stawał się coraz gęstszy, aż zaczął krystalizować. Powstał halit, czyli sól kamienna – ta sama, którą kojarzymy z kopalni soli, tylko o wiele starsza.
Kluczowy moment to chwila, gdy krystalizująca sól łapie w swoje wnętrze fragmenty otoczenia. W mikroprzestrzeniach między gwałtownie rosnącymi ścianami kryształu zostają uwięzione maleńkie krople solanki i pęcherzyki powietrza. Tworzą się tzw. inkluzje fluidalne, czyli mikroskopijne kieszenie z pradawną wodą i gazami. Po pogrzebaniu kryształów w osadach ten system zostaje praktycznie odcięty od reszty świata.
To właśnie te inkluzje zainteresowały badaczy. Są one jak maleńkie słoiki z powietrzem sprzed 1,4 mld lat. W przeciwieństwie do wielu innych metod, gdzie skład atmosfery rekonstruuje się pośrednio, tutaj mamy do czynienia z bezpośrednią próbką dawnego powietrza zamkniętą w minerałach.
Jak zmierzyć powietrze uwięzione w krysztale soli?
Sama obecność bąbelków w krysztale nie wystarczy. Prawdziwym wyzwaniem jest ich poprawne odczytanie. Inkluzje zawierają jednocześnie wodę i powietrze, a takie gazy jak tlen i dwutlenek węgla inaczej zachowują się w fazie gazowej, inaczej w wodzie. Przez lata to właśnie ten problem utrudniał wykorzystanie halitu jako wiarygodnej sondy atmosfery.
Zespół kierowany przez Justina Parka opracował metodę, która pozwala obejść tę przeszkodę. W specjalnie zbudowanej aparaturze kryształy są rozłupywane i podgrzewane w kontrolowany sposób, tak aby uchwycić moment, w którym gaz wydostaje się z inkluzji. Następnie mierzy się bardzo dokładnie ilości poszczególnych składników i uwzględnia to, jak dzielą się między wodą a powietrzem.
Efektem jest rekonstrukcja składu atmosfery z chwili, gdy tworzyły się kryształy. To już nie model ani pośrednia wskazówka, ale bezpośredni pomiar pradawnego powietrza, tyle iż dokonywany miliard lat później w laboratorium.
Wzięli pod lupę nudny przedział czasowy
Badany przedział czasowy należy do mezoproterozoiku, czyli epoki panującej między około 1,6 a 1 mld lat temu. Geolodzy nazywają ten fragment dziejów Ziemi nudnym miliardem. W tym okresie dominują bakterie, dopiero pojawiają się pierwsze glony, w tym czerwone algi, a po spektakularnych eksplozjach różnorodności i wielkich zlodowaceniach nie ma jeszcze śladu.
Atmosfera i oceany wydawały się stosunkowo stabilne, bez nagłych skoków w zapisie chemicznym skał. Ewolucja toczyła się powoli, bez gwałtownych przełomów, które znamy z późniejszych okresów. Właśnie dlatego uzyskanie bezpośrednich danych z tamtej epoki jest tak ważne: pozwala sprawdzić, czy pozorna monotonia nie kryje krótkich, dynamicznych epizodów.
Nowe pomiary pokazują, iż choćby w środku nudnego miliarda mogły pojawiać się momenty, w których atmosfera i klimat stawały się znacznie bardziej żywe, niż sugeruje to sama nazwa.
Klimat bardziej podobny do dzisiejszego
Jednym z najważniejszych wyników są poziomy dwutlenku węgla. Analiza inkluzji sugeruje, iż stężenie CO2 w badanym momencie było około 10 razy wyższe niż obecnie. Dwutlenek węgla to główny gaz cieplarniany, który decyduje o tym, ile ciepła ucieka z Ziemi w kosmos, a ile zostaje w atmosferze.
W tak odległej przeszłości szczególnie istotne jest to, iż Słońce świeciło słabiej niż dziś. Gdyby nie wysoki poziom CO2, nasza planeta powinna być dużo chłodniejsza, może choćby pokryta rozległymi lodowcami. Tymczasem dane z halitu i niezależne wskazówki geologiczne sugerują, iż wielkich zlodowaceń w mezoproterozoiku nie było, a klimat był raczej łagodny.
Bezpośredni pomiar wysokiego stężenia dwutlenku węgla ładnie spina te elementy w całość. To właśnie CO2 działał jak dodatkowa warstwa kołdry, która rekompensowała słabszą energię docierającą z młodszego Słońca i utrzymywała temperatury na zbliżonym poziomie do dzisiejszych.
Zaskakująco dużo tlenu jak na epokę bakterii
Drugie zaskoczenie dotyczy tlenu. Z pomiarów wynika, iż tlen atmosferyczny osiągał wtedy około 3,7 proc. współczesnego poziomu. Dziś stanowi on mniej więcej 1/5 część powietrza, więc w liczbach bezwzględnych to przez cały czas niewiele. Na tle wcześniejszych założeń to jednak wartość zaskakująco wysoka.
Co ważne, taki poziom tlenu teoretycznie wystarczyłby, by utrzymać bardziej złożone formy życia, w tym zwierzęta. Tymczasem w zapisach kopalnych z tego okresu widzimy głównie mikroorganizmy i proste glony, a pierwsze większe organizmy wielokomórkowe pojawiają się dopiero setki milionów lat później.
Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, iż halit z Kanady uchwycił krótkotrwały epizod tlenowy, a nie długotrwały stan atmosfery. Innymi słowy, jest to migawka z momentu, kiedy poziom tlenu na jakiś czas podskoczył wyżej niż zwykle w środku nudnego miliarda. Gdyby ten stan utrzymał się zbyt krótko, ewolucja mogła mieć po prostu za mało czasu, by przeprowadzić pełną rewolucję.
Rola alg i pytanie o powolną ewolucję
W badanym okresie na scenie pojawiają się czerwone algi, czyli stosunkowo proste, ale wydajne w produkcji tlenu glony. Dziś również odgrywają ogromną rolę w obiegu tlenu. Możliwe, iż właśnie narastająca liczba i złożoność takich organizmów doprowadziła do epizodycznego wzrostu natlenienia atmosfery i oceanów.
To rodzi interesujące pytanie, czy historia złożonego życia na Ziemi mogła potoczyć się inaczej, gdyby takie okno podwyższonego tlenu utrzymało się dłużej? Czy przyspieszony scenariusz ewolucji był możliwy, ale został zgaszony przez powrót do niższych poziomów natlenienia? Na te pytania te dane jeszcze nie odpowiadają, ale pokazują, iż środek proterozoiku był bardziej dynamiczny chemicznie, niż dotąd sądzono.
Bezpośrednie próbki powietrza z tak odległej przeszłości są niezwykle cenne, bo pomagają skalibrować wszystkie pośrednie metody rekonstrukcji atmosfery. jeżeli wcześniejsze szacunki dwutlenku węgla były za niskie, trzeba skorygować modele klimatu, które opierały się na tych wartościach. jeżeli tlen potrafił osiągać relatywnie wysokie poziomy wcześniej, niż sądzono, inaczej ustawiamy granice, w których mogły powstawać i utrzymywać się bardziej wymagające formy życia.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
Jest tego więcej
Ustaw Spider’s Web jako preferowane medium w Google
