酸素への2億年の旅

最近の発見によると、地球の「大酸化現象」は2億年に及んだという。

新しい研究は、大酸化現象の複雑さを浮き彫りにし、大気中と海洋中の酸素の増加は、生命の進化に不可欠な地質学的および生物学的要因の影響を受け、2億年以上続く動的なプロセスであったことを明らかにしました。

大酸化現象

約25億年前、遊離酸素、つまりO₂それらはまず、地球の大気中に意味のあるレベルまで蓄積し始め、進化する地球上で複雑な生命が出現するための道を切り開きました。

科学者はこの現象を大酸化イベント (略して GOE) と呼んでいます。 しかし、Oの初期蓄積は₂ ユタ大学の地球化学者が主導した新しい研究によると、地球ではその名前が示すほど単純ではなかったという。

この「出来事」は少なくとも2億年続いた。 Oの蓄積が追跡される₂ 地質地球物理学科のチャドリン・オストランダー助教授は、海洋での生活はこれまで非常に困難だったと語った。

「新たなデータは、O の最初の上昇を示しています。₂ 地球の大気はダイナミックで、おそらく 2.2 年まで断続的に展開していました。 「10億年前です」と6月12日に同誌に掲載された研究の主著者であるオストランダー氏は述べた。 自然。 「私たちのデータはこの仮説を裏付けており、これらの力学を海洋に拡張することでさらに一歩前進しています。」

チャドリン・オストランダー。 画像クレジット: ユタ大学チャド・オストランダー

海の岩のビジョン

彼がサポートする国際研究チーム NASA Exobiology プログラムは、南アフリカのトランスバール スーパーグループの海洋岩石に焦点を当てており、地球の歴史のこの重要な時期における海洋酸素の動態についての洞察を提供します。 彼らは、タリウムの安定同位体と酸化還元感受性元素の比率を分析することにより、海洋O2の変動の証拠を発見した。₂ 大気中の酸素の変化と同時に発生したレベル。

これらの結果は、地球の O を形成した複雑なプロセスの理解を進めるのに役立ちます。₂ 地球の歴史における重要な時期におけるそれらのレベルは、私たちが知っているような生命の進化への道を切り開きました。

初期の海洋状況を理解する

マサチューセッツ州のウッズホール海洋研究所から昨年UCLAの教員に加わったオストランダー教授は、「地球上で最古の生命体が誕生し、進化した可能性が高い海で何が起こっていたのか、実際にはわかっていない」と語る。 「だから、Oを知っている」₂ 海の内容とそれが時間の経過とともにどのように進化したかは、おそらく大気よりも初期の生命にとって重要です。

この研究は、英国リーズ大学のオストランダー氏、サイモン・ボルトン氏、カリフォルニア大学リバーサイド校のアンドレ・ベッカー氏らの共著者らの研究に基づいている。 で 2021 年の研究彼らの科学者チームは、O₂ それが大気の恒久的な一部となったのは、地球規模の酸素化プロセスが始まってから約 2 億年後であり、これまで考えられていたよりもはるかに遅かった。

大気と海洋の酸素変動

酸素欠乏大気の決定的な証拠は、GOE より前の堆積記録に、質量に依存しない希少な硫黄同位体の特徴が存在することです。 地球上でこれらの硫黄同位体特徴を生成できるプロセスはほとんどなく、岩石記録にそれらを保存するには大気中の酸素が存在しないことが必要であることが知られています。₂。

地球の存在の前半では、大気と海洋にはほとんど O2 がありませんでした。₂。 このガスはGOE以前に海洋のシアノバクテリアによって生成されたようですが、最近の初期にはO₂ 露出した鉱物や火山ガスとの反応で急速に破壊されます。 ボルトン、ベイカーらは、希少な硫黄同位体の痕跡が消失したが再び出現し、複数の O 分子の存在を示していることを発見した。₂ GOE中の雰囲気の上昇と下降。 これは単一の「出来事」ではありませんでした。

地球の酸素化における課題

「地球が酸素を生成し始めたとき、地球は酸素を供給される準備ができていませんでした。地球が酸素に適した進化を遂げるには時間がかかりました。それはまるでよろめきのようなものです。」とオストランダー氏は言いました。 酸素の生成はありますが、酸素の破壊が多く、何も起こりません。 私たちは、いつ天秤が完全に傾き、地球が酸素のない大気に戻れなくなったのかをまだ解明しようとしています。

今日、あるいは₂ 重量で大気の 21% を占め、窒素に次いで 2 番目です。 しかし、GOEの後、酸素は数億年にわたって大気中の非常に小さな成分のままでした。

高度な同位体分析技術

O の存在を追跡するには₂ GOE期間中の海洋では、研究チームはタリウムの安定同位体に関するオストランダー氏の専門知識に頼った。

同位体は、同じ元素の原子であり、中性子の数が等しくないため、重さがわずかに異なります。 特定の元素の同位体比は、考古学、地球化学、その他多くの分野での発見を促進してきました。

タリウム同位体と酸素インジケーター

質量分析法の進歩により、科学者はタリウムなど、周期表の下位にある元素の同位体比を正確に分析できるようになりました。 オストランダー氏と彼のチームにとって幸いなことに、タリウムの同位体比は、O2を必要とする酸化マンガンの海底への埋没の影響を受けやすい。₂ 海水中。 研究チームは、大気中のO2を追跡することが最近示されたのと同じ海洋岩石中のタリウム同位体を調べた。₂ 希少硫黄同位体による GOE 中の変動。

オストランダーと彼のチームは、頁岩の中で、より軽い同位体タリウムが顕著に濃縮されているのを発見した(²⁰³Tl)、このパターンは、海底にマンガン酸化物が埋まり、それによるO2の蓄積によって最もよく説明されます。₂ 海水中。 これらの濃縮は、希少な硫黄同位体特徴を欠いている同じサンプルで、つまり大気中に酸素がなくなったときに見られます。 おまけに： ²⁰³希少な硫黄同位体の特徴が戻ると、濃縮物は失われます。 これらの結果は、古代酸素の変化を追跡するためのより古典的なツールである酸化還元感受性元素の濃縮によって裏付けられています。₂。

「硫黄同位体が大気が酸素化したと主張するとき、タリウム同位体は大気が再び酸素化したと主張し、タリウム同位体は海洋についても同じことを主張する。」とオストランダー氏は述べた。酸素化と脱酸素化の両方。 「これは古代の土地に興味がある人にとって素晴らしい新しい情報です。」

参考文献：「23億年前の二重大気と海洋酸素化の始まり」チャドリン・M・オストランダー、アンディ・W・ハード、ユンチャオ・シュー、アンドレイ・ベッカー、サイモン・W・ポールトン、カスパー・P・オレセン、スーネ・G・ニールセン著、2024年6月12日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07551-5