Oxigenarea Pământului ar putea avea o origine neașteptată: rolul ascuns al magmei

Oxigenul din atmosfera Pământului este asociat, în mod obișnuit, cu fotosinteza și cu organismele care au transformat planeta într-o lume capabilă să susțină viața complexă. Însă un nou studiu sugerează că povestea acestui gaz esențial ar putea avea și o componentă geologică mai importantă decât se credea. Magma din interiorul planetei ar putea absorbi și transporta cantități considerabile de oxigen, pe care ulterior să le elibereze pe măsură ce urcă spre suprafață.

Descoperirea schimbă perspectiva asupra modului în care oamenii de știință înțeleg comportamentul oxigenului în rocile topite. Mai mult, ea deschide o posibilă explicație pentru unele dintre marile transformări chimice prin care a trecut Pământul în primele miliarde de ani de existență.

Studiul, coordonat de Yanhao Lin și Ho-kwang Mao de la Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) din China, în colaborare cu cercetători din alte instituții, a fost publicată în revista National Science Review.

Oxigenul din interiorul Pământului: un element mai activ decât se credea

Oxigenul este unul dintre cele mai abundente elemente din interiorul Pământului, reprezentând o parte importantă a structurii chimice a mineralelor și a rocilor silicatice. Cu toate acestea, abundența sa nu înseamnă automat că poate circula liber prin interiorul planetei sau că poate ajunge cu ușurință în atmosferă.

În mod tradițional, geochimiștii au considerat că oxigenul din magmă este legat de comportamentul celorlalte elemente prezente în topitură, precum siliciul, magneziul și fierul. Cantitatea și starea sa chimică sunt interpretate în funcție de echilibrul dintre aceste componente.

Situația este diferită în cazul unor substanțe volatile precum apa și dioxidul de carbon. Acestea se pot dizolva în magmă și pot fi transportate odată cu aceasta, comportându-se într-o anumită măsură ca niște componente independente. Pe măsură ce presiunea scade, ele pot fi eliberate din topitură, contribuind la formarea gazelor vulcanice.

Oxigenul nu era considerat, în mod obișnuit, capabil să se comporte în același fel, independent de echilibrul chimic al celorlalte elemente. Noul studiu contestă această presupunere. Rezultatele sugerează că magma poate încorpora oxigen suplimentar în structura sa, în cantități care cresc semnificativ la presiuni ridicate. Dacă acest mecanism funcționează și în condițiile naturale din interiorul Pământului, magma ar putea reprezenta un mijloc de transport al oxigenului din regiunile profunde către straturile superficiale ale planetei.

Cum au demonstrat cercetătorii că magma poate absorbi oxigen suplimentar

Pentru a testa această ipoteză, echipa de cercetători a realizat experimente la temperaturi și presiuni extreme, folosind bazalt sintetic asemănător celui format la dorsalele medio-oceanice, acolo unde materialul provenit din manta urcă și se topește parțial. Probele au fost expuse unor temperaturi cuprinse între 1.200 și 1.800 de grade Celsius și unor presiuni care au ajuns la 7 gigapascali. Această presiune corespunde aproximativ condițiilor întâlnite la o adâncime de circa 200 de kilometri în interiorul Pământului.

Pentru a crea un mediu bogat în oxigen, cercetătorii au adăugat oxid de platină probelor de bazalt. După tratarea acestora la temperaturi și presiuni ridicate, materialele au fost răcite rapid, astfel încât oamenii de știință să poată analiza cantitatea de oxigen păstrată în sticla rezultată.

A urmat o etapă importantă: cercetătorii au estimat cantitatea de oxigen explicată de celelalte elemente chimice și au calculat diferența rămasă. Această fracțiune a fost denumită „oxigen în exces”. Rezultatele au arătat că, la presiune atmosferică, cantitatea de oxigen în exces a fost practic nulă. La 7 gigapascali, însă, aceasta a depășit 5% din masa probei.

Experimentele de control, realizate fără adaosul de oxid de platină, au indicat valori mult mai mici, de aproximativ 0,2–0,5% în aceleași condiții de presiune. Diferența susține ideea că mediul bogat în oxigen a permis topiturii să încorporeze cantități suplimentare ale acestui element.

Cercetătorii au utilizat și spectroscopia Raman pentru a investiga structura materialului. Analizele nu au identificat semnătura caracteristică a oxigenului molecular gazos în sticla obținută. Prin urmare, rezultatele sugerează că oxigenul suplimentar a fost integrat în structura silicatului, nu doar prins sub forma unor bule.

Există și o precizare importantă: o parte din oxigen ar fi putut să se piardă în timpul răcirii rapide. Cantitățile măsurate ar putea reprezenta, așadar, o estimare conservatoare a capacității topiturii de a reține acest element în condițiile experimentale.

Ce se întâmplă la nivel atomic în magma bogată în oxigen

Pentru a înțelege mai bine fenomenul, cercetătorii au folosit și simulări de dinamică moleculară, care permit studierea comportamentului atomilor într-un material aflat la temperaturi și presiuni extreme. Aceste simulări au urmărit un sistem simplificat format din magneziu, siliciu și oxigen. Rezultatele au arătat că oxigenul poate difuza în topitură până când se ajunge la o stare de echilibru, iar concentrația sa de echilibru crește odată cu presiunea.

Acest comportament este în acord cu tendința observată în experimentele de laborator. Deși valorile obținute prin simulare au fost mai mici decât cele măsurate experimental, probabil și din cauza compoziției chimice simplificate a modelului, direcția schimbării a fost aceeași.

Simulările au oferit și indicii despre mecanismul atomic care face posibilă acumularea oxigenului suplimentar. Pe măsură ce topitura încorporează mai mult oxigen, distribuția sarcinilor electrice asociate atomilor de oxigen devine mai variată. O mică parte dintre acești atomi începe să formeze legături asemănătoare celor întâlnite în peroxizi.

Aceste modificări structurale ar putea permite magmei să acomodeze mai mult oxigen decât ar sugera modelele chimice tradiționale bazate pe echilibrul obișnuit al valențelor. Cu alte cuvinte, oxigenul nu trebuie privit doar ca un element a cărui cantitate în magmă este determinată indirect de celelalte componente. În anumite condiții, el poate funcționa ca o componentă distinctă, capabilă să se acumuleze în topitură și să fie transportată odată cu aceasta.

A contribuit magma la oxigenarea Pământului timpuriu?

Importanța descoperirii depășește cu mult chimia rocilor topite. Dacă magma poate absorbi cantități mari de oxigen în regiunile profunde ale planetei, atunci ascensiunea acesteia ar putea influența evoluția chimică a mantalei superficiale, a scoarței și, în anumite condiții, a atmosferei.

Mecanismul propus pornește de la magma formată în regiuni oxidate ale mantalei. La presiuni ridicate, topitura ar putea încorpora oxigen suplimentar. Pe măsură ce magma urcă spre suprafață, presiunea scade, iar o parte din oxigen ar putea fi eliberată, contribuind la modificarea stării chimice a mediului înconjurător.

Această ipoteză este interesantă în contextul unuia dintre cele mai importante evenimente din istoria planetei: Marele Eveniment de Oxigenare, petrecut în urmă cu aproximativ 2,4 miliarde de ani, în cadrul unei perioade mai ample de creștere a oxigenului atmosferic.

Până atunci, atmosfera Pământului conținea foarte puțin oxigen molecular liber. Apariția și dezvoltarea microorganismelor fotosintetizante, în special a cianobacteriilor, au permis producerea oxigenului prin fotosinteză. Totuși, acumularea sa în atmosferă a depins și de numeroase procese geologice și chimice care au influențat cât oxigen era consumat prin reacții cu rocile și gazele vulcanice.

Cercetătorii observă că marile creșteri ale concentrației oxigenului atmosferic, în intervalul aproximativ 2,5–2,0 miliarde de ani în urmă, se suprapun în linii mari peste perioade de topire intensă a mantalei și de activitate vulcanică extinsă. Această coincidență temporală nu demonstrează, în sine, că magma a furnizat cantități importante de oxigen atmosferei. Ea sugerează însă o posibilă legătură care merită investigată.

Potrivit unui calcul orientativ prezentat în contextul studiului, dacă magma ajunsă la suprafață în asemenea perioade ar fi eliberat doar 0,27% din masa sa sub formă de oxigen suplimentar, cantitatea totală ar fi putut echivala cu întregul oxigen existent astăzi în atmosferă.

Această estimare trebuie interpretată cu atenție. Ea indică un potențial cantitativ, nu dovedește că magma a eliberat efectiv acea cantitate de oxigen în trecut și nici că acest mecanism ar putea explica singur oxigenarea Pământului. Pentru a stabili contribuția sa reală sunt necesare date suplimentare despre compoziția mantalei timpurii, cantitățile de magmă produse, condițiile de degazare și reacțiile chimice care au avut loc la suprafață.

Fotosinteza rămâne mecanismul biologic fundamental prin care oxigenul molecular este produs în cantități mari pe Pământ. Noua ipoteză sugerează că procesele geologice ar fi putut contribui, la rândul lor, la circuitul oxigenului și la transformarea chimică a planetei.

Ce ne poate spune această descoperire despre alte planete

Rezultatele ar putea avea implicații și pentru studiul planetelor stâncoase din afara Sistemului Solar. În primele etape ale evoluției lor, unele dintre aceste lumi au putut trece prin perioade în care suprafața era acoperită de oceane de magmă, înainte ca scoarța solidă să se formeze. În asemenea condiții, capacitatea rocilor topite de a absorbi și elibera oxigen ar putea influența compoziția atmosferei și evoluția chimică a planetei.

Dacă un mecanism asemănător funcționează și pe alte lumi, atunci atmosfera unei planete nu trebuie înțeleasă exclusiv prin prisma proceselor biologice. Interacțiunile dintre manta, magmă, scoarță și atmosferă pot modifica semnificativ compoziția chimică a mediului de la suprafață.

Această distincție este importantă mai ales în căutarea vieții extraterestre. Prezența oxigenului într-o atmosferă este considerată un posibil indiciu al activității biologice, deoarece pe Pământ fotosinteza a avut un rol decisiv în acumularea sa. Totuși, pentru a interpreta corect un asemenea semnal, astronomii trebuie să înțeleagă și procesele abiotice care ar putea produce sau acumula oxigen fără intervenția organismelor vii.

Descoperirea nu demonstrează că planetele pot dezvolta cu ușurință atmosfere bogate în oxigen numai prin activitate geologică. Ea oferă însă un mecanism suplimentar care ar trebui luat în calcul atunci când sunt construite modele despre evoluția atmosferelor planetare.