Hvad kom først:Kompleks liv eller høj atmosfærisk ilt?

Vi og alle andre dyr ville ikke være her i dag, hvis vores planet ikke havde meget ilt i atmosfæren og havene. Men hvor afgørende var høje iltniveauer for overgangen fra simpel, encellede livsformer til den kompleksitet, vi ser i dag?

En undersøgelse fra University of California, Berkeley geokemikere præsenterer nye beviser for, at høje niveauer af ilt ikke var kritiske for dyrs oprindelse.

Forskerne fandt ud af, at overgangen til en verden med et iltet dybhav skete for mellem 540 og 420 millioner år siden. De tilskriver dette en stigning i atmosfærisk O2 til niveauer, der kan sammenlignes med de 21 procent ilt i atmosfæren i dag.

Denne udledte stigning kommer hundreder af millioner af år efter dyrs oprindelse, som fandt sted for mellem 700 og 800 millioner år siden.

"Oiltningen af ​​det dybe hav og vores fortolkning af dette som et resultat af en stigning i atmosfærisk O2 var en temmelig sen begivenhed i sammenhæng med Jordens historie, sagde Daniel Stolper, en assisterende professor i jord- og planetvidenskab ved UC Berkeley. "Dette er vigtigt, fordi det giver nye beviser for, at oprindelsen af ​​tidlige dyr, som krævede O2 til deres stofskifte, kan have foregået i en verden med en atmosfære, der havde relativt lave iltniveauer sammenlignet med i dag."

Han og postdoc-stipendiat Brenhin Keller vil rapportere deres resultater i et papir udgivet online 3. januar forud for offentliggørelse i tidsskriftet Natur . Keller er også tilknyttet Berkeley Geochronology Center.

Ilt har spillet en nøglerolle i Jordens historie, ikke kun på grund af dets betydning for organismer, der indånder ilt, men på grund af dens tendens til at reagere, ofte voldsomt, med andre forbindelser til, for eksempel, lave jern rust, planter brænder og naturgas eksploderer.

Sporing af koncentrationen af ​​ilt i havet og atmosfæren gennem Jordens 4,5 milliarder år lange historie, imidlertid, er ikke let. I de første 2 milliarder år, de fleste forskere mener, at meget lidt ilt var til stede i atmosfæren eller havet. Men for omkring 2,5-2,3 milliarder år siden, atmosfæriske iltniveauer steg først. De geologiske virkninger af dette er tydelige:klipper på land udsat for atmosfæren begyndte pludselig at blive røde, da jernet i dem reagerede med ilt for at danne jernoxider, der ligner hvordan jernmetal ruster.

Jordforskere har beregnet, at omkring dette tidspunkt, atmosfæriske iltniveauer oversteg først omkring en hundrede tusindedel af dagens niveau (0,001 procent), men forblev for lav til at ilte det dybe hav, som stort set forblev anoxisk.

For 400 millioner år siden, fossile trækulsaflejringer dukker først op, en indikation af, at atmosfæriske O2-niveauer var høje nok til at understøtte naturbrande, som kræver omkring 50 til 70 procent af moderne iltniveauer, og ilte det dybe hav. Hvordan atmosfæriske iltniveauer varierede mellem 2, For 500 og 400 millioner år siden er mindre sikkert og forbliver et emne for debat.

"At udfylde historien om atmosfæriske iltniveauer fra omkring 2,5 milliarder til 400 millioner år siden har været af stor interesse i betragtning af O2's centrale rolle i adskillige geokemiske og biologiske processer. F.eks. en forklaring på, hvorfor dyr dukker op, når de gør det, er, fordi det handler om, hvornår iltniveauet først nærmede sig de høje atmosfæriske koncentrationer, man ser i dag, " sagde Stolper. "Denne forklaring kræver, at de to er kausalt forbundet, således at ændringen til næsten moderne atmosfæriske O2-niveauer var en miljømæssig drivkraft for udviklingen af ​​vores iltkrævende forgængere."

I modsætning, nogle forskere mener, at de to begivenheder stort set ikke er relaterede. Det afgørende for at hjælpe med at løse denne debat er at finde ud af, hvornår atmosfæriske iltniveauer steg til nær moderne niveauer. Men tidligere skøn over, hvornår denne iltning fandt sted, spænder fra 800 til 400 millioner år siden, grænseoverskridende perioden, hvor dyrene opstod.

Hvornår ændrede iltniveauet sig for anden gang?

Stolper og Keller håbede at udpege en vigtig milepæl i Jordens historie:da iltniveauet blev højt nok - omkring 10 til 50 procent af nutidens niveau - til at ilte det dybe hav. Deres tilgang er baseret på at se på jernets oxidationstilstand i vulkanske bjergarter dannet undersøiske (benævnt "ubåd") vulkanudbrud, som producerer "puder" og massive strømme af basalt, når den smeltede sten ekstruderer fra havryggene. Kritisk, efter udbrud, havvand cirkulerer gennem klipperne. I dag, disse cirkulerende væsker indeholder ilt og oxiderer jernet i basalterne. Men i en verden med dybe oceaner blottet for O2, de forventede ringe ændring i oxidationstilstanden af ​​jern i basalterne efter udbrud.

"Vores idé var at studere historien om jernets oxidationstilstand i disse basalter og se, om vi kunne finde ud af, hvornår jernet begyndte at vise tegn på oxidation, og dermed hvornår det dybe hav først begyndte at indeholde mærkbare mængder opløst O2, sagde Stolper.

At gøre dette, de kompilerede mere end 1, 000 offentliggjorte målinger af oxidationstilstanden af ​​jern fra gamle undersøiske basalter. De fandt ud af, at det basaltiske jern kun bliver væsentligt oxideret i forhold til magmatiske værdier for mellem omkring 540 og 420 millioner år siden, hundreder af millioner af år efter dyrs oprindelse. De tilskriver denne ændring stigningen i atmosfæriske O2-niveauer til næsten moderne niveauer. Dette fund er i overensstemmelse med nogle, men ikke alle, historier om atmosfæriske og oceaniske O2-koncentrationer.

"Dette arbejde indikerer, at en stigning i atmosfærisk O2 til niveauer, der er tilstrækkelige til at ilte det dybe hav og skabe en verden, der ligner den, der ses i dag, ikke var nødvendig for fremkomsten af ​​dyr, Stolper sagde. den ubådsbasaltrekord giver en ny, kvantitativt vindue til den geokemiske tilstand af dybhavet for hundreder af millioner til milliarder af år siden."