Forskere gentænker co-evolution af havlivet, iltede oceaner

Forskere ved Institut for Jordvidenskab ved Syracuse Universitet har bekræftet, at stigende oceaniske og atmosfæriske iltniveauer udviklede sig sammen med havlivet for flere hundrede millioner år siden.

Wanyi Lu, en ph.d. kandidat, der studerer under lektor Zunli Lu (ingen relation) på College of Arts and Sciences, er hovedforfatter til et banebrydende papir i Videnskab magasin.

Papiret stammer fra et flerårigt, multinationale forskningsindsatser ledet af Zunli Lu, der nytænker årsagerne og virkningerne af øget iltning på kontinentalsokkelerne under den nuværende fenerozoiske Eon, som begyndte for mere end 542 millioner år siden.

"De fleste undersøgelser af ilthistorie fokuserer på atmosfæren og dybe oceaner, med konsekvenser for livets udvikling, "Zunli Lu siger." Vi tror på det oceaniske iltniveau i vandsøjlen over kontinentalsokkelerne [dvs. det øvre hav] kan have været et andet dyr. "

Centralt i teamets forskning var en geokemisk proxy, som Lu var banebrydende i 2010. Ved hjælp af en ny tilgang baseret på jodgeokemi, han og hans kolleger målte forholdet mellem jod og calcium i calciumcarbonatmineraler og fossiler.

Timothy Lyons, Fremstående professor i biogeokemi ved University of California, Riverside (UCR), betragter jodgeokemi som et "kraftfuldt redskab" til at begrænse iltforhold i overflade-til-nær-overfladeforhold i det gamle hav. "Dette er vandene, hvor de tidligste dyr første gang dukkede op, udviklet og avanceret mod komplekse økologier, "siger han." Resultaterne fra denne undersøgelse afslører tidligere uanede miljømæssige dynamikker i de tidlige farvande, og disse forhold må have påvirket dyr. "

Lu tager rosene med ro, men insisterer på, at gruppens fund er nye. "Det øvre hav blev godt iltet meget senere end oprindeligt antaget, " han siger.

Syracusas geokemiker illustrerer hans pointe ved at beskrive en tyk dis af metan, der oprindeligt omsluttede planeten, efterlader lidt eller ingen ilt i atmosfæren. Fotosyntetiserende mikrober producerede til sidst tilstrækkelig kemisk energi, forårsager fri ilt til at ophobe sig i atmosfæren. "Dette satte scenen for den store oxidationsbegivenhed for omkring 2,3 milliarder år siden, " han siger.

Med iltningen kom stigningen i multicellulære livsformer i løbet af de næste milliarder år. Blandt dem var eukaryoter, hvis genetiske information blev lagret i en membranbunden kerne eller kerner.

Spørgsmålet om alles sind, især Wanyi Lu's, var hvordan og hvornår det globale hav blev oxygeneret nok til at rumme forskellige former for marine liv, herunder dem, der lever i dag.

"Vores joddata stemmer overens med en større stigning i atmosfærens iltniveau, der fandt sted for omkring 400 millioner år siden, "siger Lu, hvis doktorgradsstudier involverer lavtemperatur geokemi og globale miljøændringer. "Alligevel, iltniveauet i det øvre hav stabiliserede sig ikke ved næsten moderne forhold før for 200 millioner år siden, da større eukaryote plankton dominerede verdenshavene. Timingen giver perfekt mening. "

For at forstå sådanne observationer i rockpladen, man skal værdsætte biogeokemiske og oceanografiske processer i stor skala, samt atmosfærisk kemisk sammensætning. "Vi undersøgte rollerne for disse to kontroller i det øvre hav, ved hjælp af en sofistikeret Earth System Model [ESM] med et interessant navn:GENIE, som er forkortelse for 'Grid-ENabled Integrated Earth, '"Siger Zunli Lu.

Andy Ridgwell, professor i jordvidenskab ved UCR, udviklet GENIEs signaturmodelleringsramme, som sammensætter en række ESM -simuleringer over forskellige tidsskalaer. "Den innovative måde, Syracuse -teamet kombinerede målinger af gamle klipper med en kompleks, matematisk model af det globale klimasystem og kulstofcyklus var imponerende, " han siger.

Ridgwell roser hovedkonklusionen i teamets endelige analyse-at en grundlæggende ændring i eukaryoter førte til større re-mineraliseringsdybde af organisk stof og, ultimativt, et "fjedrende iltet" øvre hav. "Dette passer perfekt til vores udviklende forståelse af de vigtigste evolutionære skridt, der er taget for at skabe den planet, vi har i dag, "siger Ridgwell, der studerer biogeokemisk modellering og langsigtede klimaforandringer.

Lee Kump, dekan for College of Earth and Mineral Sciences i Penn State, siger, at gruppens fund er en kraftig påmindelse om, hvordan Darwins evolutionsteori kun kan være halvt rigtigt. "Ændringer i miljøet påvirker den biologiske udvikling, at være sikker, men biologisk innovation kan påvirke miljøet, selv på global skala, ”siger den anerkendte paleoklimatolog.

Det er ikke slutningen på historien, imidlertid. Ros Rickaby, professor i geokemi ved University of Oxford (U.K.), siger fundene også forstærke forbindelsen mellem iltning og havdyrs kropsstørrelse. "Det er utroligt at tro, at den stigende succes med mikroskopisk mineraliserende plankton ude i havet, gennem ændringen i iltfordelingen, kunne have haft så vidtrækkende virkninger på tværs af Jordsystemet at øge den gennemsnitlige kropsstørrelse på dyr, "siger hun." Det minder os om den indviklede sammenkobling mellem alle dele af det marine økosystem. "

Tilføjer Zunli Lu:"Det er et godt eksempel på livets og planets samudvikling."