Planeet Aarde heeft enkele werkelijk indrukwekkende kwaliteiten. (Negatieve recensies, moet gezegd, richten zich vooral op het personeel en de clientèle.) Hoog op de lijst van voordelen staat een rijkelijk zuurstofrijke atmosfeer, maar dat gebeurde niet van de ene op de andere dag - het kostte een paar miljard jaar evolutie om een wereld te maken die geschikt is voor dierlijk leven zoals wij.
Wetenschappers hebben genoeg ideeën over wat de toename van zuurstof zou kunnen hebben veroorzaakt, en het lijkt erop dat verschillende ervan waarschijnlijk juist zijn. Leven maakt deel uit van het verhaal, met fotosynthetisch leven dat zuurstof produceert. De chemie van de vaste Aarde speelde ook een rol, zowel door het ondersteunen van fotosynthetisch leven als door reacties die zuurstof verplaatsen tussen de atmosfeer en gesteente diep in de planeet.
Een nieuwe studie onder leiding van Wei Shi van de Chengdu University of Technology suggereert dat bewijs van veranderingen in subductie - het proces waarbij tektonische platen in het binnenste van de Aarde verdwijnen - overeenkomt met de timing van zuurstofsprongen. De Aarde is in de loop van de tijd geleidelijk afgekoeld, en de schaarse overblijfselen van haar vroegste geschiedenis laten zien dat belangrijke geologische processen daardoor behoorlijk zijn geëvolueerd. In het begin zou koud, dicht oppervlaktegesteente door heet mantelgesteente zijn gezonken op manieren die weinig lijken op moderne platentektoniek. De continenten om ons heen zijn 4,5 miljard jaar durende bouwprojecten, dus verbeelding is nodig om te bedenken wat er in het begin aanwezig was.
Het was geen soepele, lineaire evolutie - er lijken overgangspunten in die geologische geschiedenis te zijn. De oxygenatie van de atmosfeer van de Aarde was ook niet lineair. Het begon met een sprong tijdens de Grote Oxygenatiegebeurtenis ongeveer 2,4 tot 2,0 miljard jaar geleden, stagneerde toen tot het hervatte tussen 800 en 500 miljoen jaar geleden. Een derde toename tussen 450 en 250 miljoen jaar geleden bracht ons naar moderne zuurstofniveaus.
Het idee van het onderzoeksteam was dat veranderingen in subductie de atmosferische zuurstof zouden kunnen hebben beïnvloed door te controleren hoeveel koolstof en zwavel - beide houden ervan om zich te binden aan zuurstof - naar het diepe binnenste werden gedragen. Wanneer de mantel heter is, komen koolstof en zwavel niet ver naar beneden met gesubduceerd gesteente; ze komen vrij in de ondiepe mantel en kunnen snel terugkomen via vulkanen, klaar om dappere zuurstofmoleculen op te scharrelen. Het omgekeerde is dat een plaat die in koelere mantel duikt, meer van zijn zwavel en koolstof vasthoudt.
Op plaatsen waar gesubduceerd gesteente zijn weg terug naar het oppervlak vindt, vertellen de mineralen en subtiele chemie erin ons over de temperaturen en drukken die ze hebben ervaren. Door deze gegevens te vergelijken, stelde het team een breed beeld samen van de geschiedenis van subductie. Als de hypothese klopt, zou je subductie bij lagere temperatuur verwachten op hetzelfde moment dat de atmosferische zuurstof toeneemt.
De gegevens lijken inderdaad overeen te komen. Subductie bij lagere temperatuur verschijnt tussen 2,2 en 1,8 miljard jaar geleden en domineert daarna, na een pauze, de laatste 800 miljoen jaar. Die eerdere periode komt overeen met de initiële Grote Oxygenatiegebeurtenis; de meer recente periode omvat de tweede en derde zuurstofsprong. (De tijd ertussen staat in de geologie bekend als de "Saaie Miljard" omdat... er niet veel lijkt te zijn gebeurd.) Door deze geschiedenis door een basaal chemisch model te halen, ontdekten de onderzoekers dat ze grofweg de tijdlijn van oxygenatie konden reproduceren.
Het begin van het verhaal, zeggen ze, zou de vorming kunnen zijn van een vroeg supercontinent genaamd Columbia. Met land boven zeeniveau kon erosie voldoende voedingsstoffen naar de oceanen leveren om een grote hoeveelheid fotosynthetische cyanobacteriën te ondersteunen - zichtbaar in zeebodemsedimentaire gesteenten rijk aan organische koolstof. Het uiteenvallen van Columbia valt samen met de eerste tekenen van subductie bij lagere temperatuur, waardoor meer organische koolstof en carbonaat diep in de mantel konden worden gesubduceerd.
Toen kwam de Saaie Miljard, toen zelfs mantelconvectie en tektonische plaatbeweging traag leken te zijn. Maar daarna bracht de vorming en het uiteenvallen van Gondwana en Pangaea ons naar een kaart van tektonische pl