Rice Üniversitesi, Yale Üniversitesi ve Tokyo Üniversitesi’nden yerbilimciler, uzun zamandır bilim dünyasını meşgul eden, gezegenimizin atmosferinin nasıl oksijen kazandığı sorusuna yeni bir yanıt öneriyor.
Yeni bir modele dayandırılan ve petroloji, jeodinamik, volkanbilimi ve jeokimya gibi çeşitli alanlardan bulgular içeren araştırmada araştırmacılar, Dünya atmosferindeki oksijen artışının, hayatın varlığı ve levha hareketleri ile kıtaların oluşumunun kaçınılmaz sonucu olduğunu öne sürüyor.
Rice’dan yerbilimleri profesörü ve başyazar Cin-Ty Lee’ye göre, bu oldukça basit bir fikir, fakat tamamıyla anlamak için Dünya’nın arka planda nasıl işlediğini iyi bilmemiz gerekiyor. Yazar bunu açıklamak için küvet örneğini kullanıyor. Musluktan su aktıkça küvet dolarken alttaki su giderinden de bir miktar su kaybedilir. Dünya’daki oksijen miktarı da bunun gibidir: Bitkiler ve bazı bakteriler fotosentezin yan ürünü olarak oksijen üretirken, oksijenin Dünya kabuğundaki demir ve kükürt ile birleşmesi ve organik karbon ile geri tepkimesi sonucu oksijen miktarı azalır. Örneğin, bizler oksijen alır karbondioksit veririz, yani atmosferdeki oksijen miktarını azaltırız. Kısacası atmosferimizdeki oksijenin hikâyesi bu giriş ve çıkışları anlamakla ilgilidir, fakat bu 3 milyar yıllık durumu gözler önüne sermek gerçekte daha karmaşıktır.
Lee ile diğer yazarlar Laurence Yeung ve Adrian Lenardic, açıklamalarını yeni bir modele dayandırdı. Bu modelde, oksijenin atmosfere nasıl eklendiğini incelemek için iki anahtar zaman dilimine odaklanıldı: 2 milyar yıl önce ve 600 milyon yıl önce.
Bugün, Dünya atmosferindeki serbest moleküler oksijenin miktarı yaklaşık yüzde 20’dir. Serbest oksijen, karbondioksit ve kükürtdioksit gazlarındaki gibi başka elementlere bağlı değildir. Dünya’nın 4,5 milyar yıllık tarihinin çoğunda serbest oksijen vardı, ama atmosferde bulunmuyordu. Aslında oksijen Mars, Venüs ve Dünya gibi kayalık gezegenlerde en çok bulunan elementtir, ama aynı zamanda da kimyasal olarak en aktif elementlerden biridir. Diğer elementlerle güçlü bağlar kurar ve sonuç olarak oksitli bileşiklerde hapsedilir ve sonsuza kadar gezegenin içlerine gömülür, yani kayalara. Dünya’nın da diğer gezegenlerden farkı yoktur, neredeyse Dünya’nın oksijeninin tümü hâlâ derin kayaların içindedir.
Lee ve çalışma arkadaşları, yaklaşık 2,5 milyar yıl önce Dünya’nın kabuğunun temelden değiştiğini gösterdi. Lee, bu zaman diliminin Dünya’da oksijenin ilk kez ortaya çıktığı zaman ile çakıştığını ve bu dönemden kalan zirkon olarak bilinen mineral tanelerinin bol miktarda gözlemlendiğini söylüyor. Zirkonun varlığı pek çok şeyi açıklıyor Lee’ye göre. Zirkon, erimiş kayalar üzerinde özel bir bileşimle kristalize olur ve görünüşü volkanik kaynaklı düşük silisyumlu kayalardan zengin silisyumlu kayalara doğru olan köklü değişimi gösterir. Atmosferin içeriğiyle ilgisi zengin silisyumlu kayaların oldukça az demir ve kükürt içermesinden anlaşılır, çünkü demir ve kükürt oksijen ile reaksiyona girer ve oksijen için küvetteki su gideri rolünü oynar. Buna dayanarak, ilk oksijen yükselişinin, küvetteki giderin tıkanması gibi, oksijenin gidebileceği yolun verimliliğinin azalmasına bağlı olarak ortaya çıktığı düşünülebilir.
Lee, ikinci oksijen yükselişinin üretimdeki değişiklikten ortaya çıktığını savunuyor, yani küvete musluktan daha fazla su akıtmaktan. Küvet benzerliği işe yarasa da, oksijenin küresel karbon döngüsüne -Dünya’ya, biyosfere, atmosfere ve okyanuslara- bağlı olması işleri zorlaştırıyor. Yapılan model, karbon döngüsünün asla sabit durumda kalmadığını gösteriyor; çünkü karbon, karbondioksit olarak Dünya’nın derin iç kabuklarından yüzeye doğru volkanlar aracılığıyla sızıyor. Karbondioksit ise fotosentez için anahtar bileşik.
Modelde, uzun jeolojik zamanlar sonunda karbon, atmosferde organik karbon veya karbonat adı verilen mineraller yardımıyla azaltıldı. Dünya tarihi boyunca karbonun büyük çoğunluğu derin okyanuslar yerine kıtaların içinde hapsedildi. Bu uygulamalar sonunda, kıtalardaki karbon tekrar Dünya’nın iç katmanlarına dönmek yerine, kıtalar volkanik hareketlerle bozulurken atmosfere karbon girişini arttırdı. Lee ve ekibinin modeline göre, volkanik olaylar ve karbonun atmosfere diğer jeolojik yollardan girmesi sonucu, oksijen üretimi zamanla daha da arttı, çünkü oksijen karbon üretimine bağlıdır. Modele göre ikinci yükseliş Dünya tarihinde daha geç bir zamanda olmalıydı.
Lee’ye göre kesin olan, kıta kabuklarının oluşumunun atmosferdeki oksijenin iki kez yükselmesine sebep olduğu. Bunu fosil kayıtlarından da görebiliyoruz. İlk oksijen artışı zamanında, neyin kabuk bileşiminin değişmesine sebep olduğu hâlâ bir sır. Lee ve ekibine göre, Dünya yüzeyindeki levhaların yeterince hareket edebilmesi ve tekrar Dünya’nın daha derinlerine batabilmesi buna sebep olmuş olabilir.
Yeni modelin bazı çelişkilerinin olduğu görülüyor. Örneğin, model karbondioksit üretiminin zamanla artması gerektiğini öngörürken bir bulgu, kabul gören kanının aksine, son 4 milyar yılda karbondioksit seviyesinin sürekli azaldığını gösteriyor. Lee, karbon akışındaki değişimin, modellerinde çok uzun zaman dilimlerinde gerçekleştiğini belirtiyor. Belki de, atmosferde değişime sebep olan süreçlerin antropomorfik (insan odaklı) iklim değişikliklerine bağlı olduğunu düşünmek yanlıştır. Ancak, bu çalışma, yerbilimcilerin ve astrobiyologların Dünya’nın erken tarihi hakkında bildiklerimizi yeniden değerlendirmesi gerektiğini öneriyor.
