Salah satu misteri yang masih belum terpecahkan tentang sejarah Bumi adalah bagaimana planet ini menjadi teroksigenasi, dan bernapas, miliaran tahun yang lalu. Sekarang, sebuah penelitian baru mengatakan pelakunya mungkin adalah lempengan batu raksasa yang membentuk kulit luar Bumi.
Saat lempeng yang disebut ini bergerak, dalam proses yang disebut lempeng tektonik, mereka akan mengubur sisa-sisa makhluk mati yang kaya karbon di bawah lempeng lain saat mereka meluncur di bawahnya. Di mantel bumi, di bawah kerak bumi, karbon tidak akan bisa bereaksi dengan oksigen, meninggalkan bahan penting ini di atmosfer, kata para ilmuwan.
Sampai Peristiwa Oksigenasi Besar, atmosfer planet ini adalah campuran nitrogen, karbon dioksida, uap air, dan metana. Kemudian, 2,5 miliar tahun yang lalu, sekelompok makhluk bersel tunggal mulai menggunakan karbon dioksida itu dan menghasilkan oksigen sebagai produk limbah. Tetapi oksigen sangat reaktif; reaksi dengan batuan permukaan dan karbon yang merembes dari sisa-sisa organisme mati akan dengan cepat menghabiskan elemen tersebut.
Mengubur karbon
Studi baru oleh Megan Duncan dan Rajdeep Dasgupta di Rice University di Texas menyatakan bahwa karbon dari makhluk mati didorong di bawah kerak bumi, atau ditundukkan, untuk membentuk grafit dan berlian kuno. Dengan demikian, kata duo itu, Peristiwa Oksigenasi Besar itu, sebagian, didorong oleh dimulainya tektonik lempeng "modern", di mana kerak bumi dibagi menjadi lempeng-lempeng besar yang saling bertabrakan, berdesak-desakan, dan bergeser satu sama lain.
Prosesnya cukup efisien sehingga karbon tidak punya waktu untuk bereaksi dengan oksigen, sehingga oksigen - produk limbah dari semua makhluk awal - tinggal di atmosfer dan terakumulasi mendekati tingkat yang terlihat hari ini. Hasilnya: atmosfer yang cocok untuk pernafasan oksigen di masa depan.
"Pekerjaan ini dimulai dengan mempertimbangkan proses yang terjadi di zona subduksi hari ini," kata Duncan kepada Live Science. "Dan kemudian bertanya-tanya apa yang terjadi di zona subduksi kuno."
Duncan menggunakan model komputer atmosfer yang menunjukkan reaksi antara karbon dioksida dan air. Ketika keduanya bereaksi, mereka membuat oksigen molekuler (terdiri dari dua atom oksigen) dan formaldehida (senyawa yang terdiri dari karbon, hidrogen, dan oksigen). Formaldehida belum tentu menghasilkan makhluk hidup apa; itu merupakan pengganti senyawa karbon organik yang lebih kompleks, kata Duncan.
Biasanya, reaksi itu seimbang; oksigen berputar kembali untuk menghasilkan lebih banyak karbon dioksida (CO2) dan air, meninggalkan atmosfer tanpa oksigen. Di situlah lempeng tektonik masuk, kata para peneliti. Menurut penelitian baru itu, pelat yang berdesak-desakan mendorong semua formaldehida di bawah tanah, meninggalkan udara dengan lebih banyak oksigen. Sementara itu, tanpa formaldehida yang mendorong reaksi kimia "seimbang", CO2 tambahan akan tetap berada di atmosfer, membantu pernafasan CO2 untuk berkembang dan menghasilkan lebih banyak oksigen sebagai limbah, para peneliti menemukan dalam model komputer mereka.
Menjaga karbon di cek
Untuk memeriksa hipotesis mereka, para peneliti menggunakan pengukuran karbon yang lebih tua dalam kerak kuno dan percobaan laboratorium. Dalam beberapa berlian kuno, misalnya, ada sejumlah karbon-13, isotop karbon yang ditemukan di jaringan organisme hidup. Data itu menunjukkan bahwa sejumlah karbon organik jelas membuatnya menjadi mantel (di bawah kerak bumi), kata para peneliti.
Pertanyaan selanjutnya adalah apakah karbon akan tetap di sana. Duncan melelehkan sepotong kaca silikat dan menambahkan grafit ke dalamnya. Kaca mensimulasikan kerak kuno, dan grafit mewakili karbon dari organisme, kata Duncan. Dia kemudian meningkatkan tekanan dan suhu, mulai dari 14.800 atmosfer tekanan dan meningkatkannya menjadi 29.000 atmosfer (sekitar 435.000 pound per inci persegi). Hasil penelitian menunjukkan bahwa karbon dapat larut dalam batuan di bawah kondisi yang mungkin ada pada mantel awal Bumi, kata studi tersebut. Hasilnya juga menunjukkan bahwa karbon itu kemungkinan akan tetap berada di bawah kerak selama jutaan tahun sebelum gunung berapi mengeluarkannya lagi, kata studi tersebut.
Menentukan mekanisme pasti untuk Peristiwa Oksigenasi Besar tidak akan mudah, kata Duncan, dan kemungkinan melibatkan beberapa mekanisme, bukan hanya satu. Salah satu tantangan adalah garis waktu kapan subduksi dimulai, katanya.
"Jika proses lempeng tektonik modern selalu beraksi, ini tidak berhasil," kata Duncan. Garis bukti lain tampaknya menunjukkan bahwa Bumi purba mungkin tidak memiliki lempeng tektonik pada awalnya dan proses itu dimulai kemudian, Duncan menambahkan.
"Itu juga tergantung pada berapa banyak karbon organik yang dihilangkan dari permukaan," tulis Duncan dalam email. "Berapa banyak karbon organik yang berhasil sampai ke dasar samudra (yang kemungkinan tergantung pada kimia laut purba). Kita tahu itu terjadi hari ini. Kita bisa keluar dan mengukurnya. Kita melihatnya di bebatuan purba, dan berpotensi pada berlian, jadi kita percaya bahwa karbon organik hadir dan disubtitusi sepanjang sejarah Bumi. "
Masalahnya adalah menetapkan batas yang tepat pada seberapa banyak dan seberapa cepat, katanya.
Tim Lyons, seorang profesor biogeokimia di University of California Riverside, setuju bahwa menghubungkan model ini dengan catatan yang diketahui dalam batuan adalah sebuah tantangan. "Salah satu pertanyaan saya adalah apakah data itu dapat dikaitkan dengan catatan yang kuat untuk sejarah subduksi," kata Lyons.
"Ada banyak mekanisme yang diusulkan untuk menyebabkan GOE; tidak ada, sendiri, dapat menciptakan kembali besarnya O2 yang diamati dari catatan," kata Duncan. "Kemungkinan kombinasi dari banyak mekanisme ini, termasuk subduksi, yang memungkinkan tingkat O2 naik dan dipertahankan selama sisa sejarah Bumi."
Studi ini muncul (25 April) dalam jurnal Nature Geoscience.
