Hoe kon een zwakke magnetische puls 600 miljoen jaar geleden de evolutie hebben veroorzaakt?

Er zijn aanwijzingen dat een zwak magnetisch veld miljoenen jaren geleden aanleiding kan hebben gegeven tot leven.

De Ediacara-periode, die zich uitstrekte van ongeveer 635 tot 541 miljoen jaar geleden, was een cruciale periode in de geschiedenis van de aarde. Het was een transformerend tijdperk waarin complexe, meercellige organismen ontstonden, die de weg vrijmaakten voor de explosie van leven.

Maar hoe heeft deze golf van leven zich ontwikkeld en welke factoren op aarde hebben hier mogelijk aan bijgedragen?

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester hebben overtuigend bewijs ontdekt dat het magnetische veld van de aarde zich in een hoogst ongebruikelijke toestand bevond toen de macroscopische fauna zich diversifieerde en bloeide in de Ediacaran-periode. Hun onderzoek werd gepubliceerd in natuur Communicatie Aarde en milieuDit roept de vraag op of deze fluctuaties in het oude magnetische veld van de aarde hebben geleid tot veranderingen in het zuurstofniveau die miljoenen jaren geleden cruciaal kunnen zijn geweest voor de reproductie van levensvormen.

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester bestudeerden het magnetische veld van de aarde tijdens de Ediacaran-overgangsperiode, die ongeveer 635 tot 541 miljoen jaar geleden duurde. Het onderzoek roept vragen op over welke factoren de opkomst van complexe, meercellige organismen kunnen hebben aangewakkerd, zoals Ediacaran-dieren, bekend om hun gelijkenis met vroege dieren. Credit: Illustratie van de Universiteit van Rochester/Michael Osadcio

Volgens John Tarduno, de William Kennan Jr. hoogleraar bij de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen, waren de Ediacaraanse dieren een van de meest prominente levensvormen tijdens de Ediacaran-periode. Ze vielen op door hun gelijkenis met vroege dieren, waarvan sommige meer dan een meter groot waren en mobiel waren, wat erop wijst dat ze mogelijk meer zuurstof nodig hadden dan eerdere levensvormen.

“Eerdere ideeën over de opkomst van deze verbazingwekkende Ediacaran-dieren omvatten genetische of omgevingsfactoren, maar de nauwe timing met het extreem lage magnetische veld heeft ons ertoe aangezet om de milieukwesties, in het bijzonder de zuurstof in de atmosfeer en de oceanen, te heroverwegen”, zegt Tarduno. . Hij is ook decaan van onderzoek aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen en de Hogeschool voor Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Wetenschappen.

De magnetische geheimen van de aarde

Ongeveer 3000 kilometer onder ons stroomt vloeibaar ijzer de buitenste kern van de aarde binnen, waardoor het beschermende magnetische veld van de planeet ontstaat. Hoewel het magnetische veld onzichtbaar is, is het essentieel voor het leven op aarde omdat het de planeet beschermt tegen de zonnewind – stralingsstromen die van de zon komen. Maar het magnetische veld van de aarde was niet altijd zo sterk als nu.

De onderzoekers suggereerden dat een ongewoon laag magnetisch veld mogelijk heeft bijgedragen aan het ontstaan ​​van dierenleven. De correlatie was echter moeilijk te onderzoeken vanwege de beperkte gegevens over de magnetische veldsterkte gedurende deze periode.

Een fossiele impressie van Dickinsonia, een voorbeeld van een Ediacaraanse fauna, gevonden in het huidige Australië. Krediet: Shuhai Xiao, Virginia Tech

Tarduno en zijn team gebruikten innovatieve strategieën en technieken om de sterkte van het magnetische veld te onderzoeken door het magnetisme te bestuderen dat werd aangetroffen in oude veldspaat- en pyroxeenkristallen uit het anorthosietgesteente. Kristallen bevatten magnetische deeltjes die de magnetisatie in stand houden sinds de vorming van mineralen. Door rotsen te dateren, kunnen onderzoekers een tijdlijn creëren voor de evolutie van het magnetische veld van de aarde.

Profiteer van geavanceerde tools, waaronder CO₂ Met behulp van lasers en een Superconducting Quantum Interferometer (SQUID) magnetometer in het laboratorium analyseerde het team zorgvuldig de kristallen en het magnetisme daarin.

Zwak magnetisch veld

Hun gegevens geven aan dat het magnetische veld van de aarde tijdens de Ediacaran-periode soms het zwakste veld was dat tot nu toe bekend was – tot 30 keer zwakker dan het huidige magnetische veld – en dat de extreem lage veldsterkte minstens 26 miljoen jaar aanhield.

Het zwakke magnetische veld op geladen deeltjes van de zon maakt het gemakkelijker voor lichtgewicht atomen zoals waterstof om uit de atmosfeer te worden gestript, waardoor ze naar de ruimte ontsnappen. Als het verlies aan waterstof groot is, kan er meer zuurstof in de atmosfeer achterblijven in plaats van te reageren met de waterstof om waterdamp te vormen. Deze reacties kunnen na verloop van tijd leiden tot zuurstofophoping.

Een fossiele afdruk van Fractofusus, een voorbeeld van een Ediacaraanse fauna, werd gevonden in wat nu bekend staat als Newfoundland, met een Canadese cent van bijna formaat. Krediet: Shuhai Xiao, Virginia Tech

Uit onderzoek van Tarduno en zijn team blijkt dat tijdens de Ediacaran-periode een extreem zwak magnetisch veld gedurende minstens tientallen miljoenen jaren waterstofverlies veroorzaakte. Dit verlies heeft mogelijk tot meer zuurstof in de atmosfeer en het oceaanoppervlak geleid, waardoor er meer geavanceerde levensvormen konden ontstaan.

Tarduno en zijn onderzoeksteam ontdekten eerder dat het magnetische veld van de aarde weer aan kracht won tijdens het latere Cambrium, toen de meeste diergroepen in het fossielenbestand verschenen en het beschermende magnetische veld werd hersteld, waardoor het leven kon bloeien.

‘Als het zeer zwakke veld na de Ediacaran was gebleven, zou de aarde er heel anders hebben uitgezien dan de waterrijke planeet die ze vandaag de dag ziet: door het waterverlies zou de aarde geleidelijk kunnen zijn uitgedroogd’, zegt Tarduno.

Basisdynamiek en evolutie

Het werk suggereert dat het begrijpen van het interieurontwerp van planeten cruciaal is bij het nadenken over het potentieel voor leven buiten de aarde.

‘Het is verbazingwekkend om te bedenken dat processen die plaatsvinden in de kern van de aarde uiteindelijk in verband kunnen worden gebracht met evolutie’, zegt Tarduno. “Als we de mogelijkheid van leven elders overwegen, moeten we ook overwegen hoe de binnenkant van planeten zich vormt en evolueert.”

Voor meer informatie over dit onderzoek, zie Hoe het zwakke magnetische veld van de aarde de opkomst van complex leven heeft aangewakkerd.

Referentie: “De dreigende ineenstorting van het aardmagnetische veld heeft mogelijk bijgedragen aan de zuurstofvoorziening in de atmosfeer en de straling van dieren in de Ediacaran” door Wentao Huang, John A. Erik J. Blackman en Alexei V. Smirnoff, Gabriël Ahrendt en Rory D. Cottrell en Kenneth B. Kodama en Richard K. Bono en David J. Sepik, Yongxiang Li, Francis Nimmo, Shuhai Xiao en Michael K. Watkes, 2 mei 2024, Aarde- en milieucommunicatie.
doi: 10.1038/s43247-024-01360-4

Dit onderzoek werd ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation.