En kolcykelanomali som upptäcktes i karbonatstenar i Neoproterozoic Hüttenberg-formationen i nordöstra Namibia följer ett mönster som liknar det som hittades direkt efter den stora syresättningshändelsen, antyder nya bevis för hur jordens atmosfär blev helt syresatt.

Genom att använda Hüttenbergformationen, som bildades för mellan en miljard och en halv miljard år sedan, att studera tiden mellan jordens förändring från en anoxisk miljö (dvs en som saknar syre) till en mer gästvänlig miljö som beskrev djurriket, ett team av forskare under ledning av Dr Huan Cui från NASA Astrobiology Institute vid University of Wisconsin – Madison upptäckte en ihållande, hög kolhalt. Denna tillströmning av kol, i kombination med förändringar i andra element, indikerar hur förändrade nivåer av oceaniskt syre kan ha gett en hjälpande hand till tidig djurutveckling.

Studien, publicerad i tidskriften Precambrian Research, parat nytt syre, svavel, och strontiumisotopdata, med kolisotopdata publicerade 2009, från borrkärnprover från Hüttenberg -formationen. Tillsammans, data ger ytterligare bevis på att jordens syre stegvis steg, i motsats till att vara begränsad till två stora händelser som begränsar proterozoikum (en geologisk epok som varade mellan 2,5 miljarder och 541 miljoner år sedan). Det resulterande mönstret för förändrade redoxreaktioner (dvs. reaktioner som involverar syresättning och reduktion via elektronbyte) fick namnet Hüttenberg -anomali, efter bergformationen där den hittades.

University of Marylands doktor Alan J. Kaufman, vem är studiens andra författare och huvudförfattare till 2009 års isotopstudie, säger att den ihopkopplade informationen "tyder på att ökningen av syre var oscillerande genom detta 50- till 75-miljoner årsintervall i samband med Hüttenberg-anomalin och den neoproterozoiska oxidationshändelsen eller NOE i slutet av proterozoikum."

Anomalin visar hur kolisotopförhållandena ( ¹³ C/ ¹² C) upplevde en ihållande 12 till 14 delar per tusen ökning i överflöd i ungefär 15 miljoner år innan de återvände till tidigare låga nivåer. När syrenivåerna i havet ökade, sulfider omvandlades till sulfater, som vissa mikrober använder i sin ämnesomsättning för att smälta och återvinna organiskt kol på havsbotten. Isotoperna av syre, kol, och svavel rörde sig i tandem under Hüttenberg -avvikelsen, övertyga forskarna om att det de såg inte bara var en slump.

Vilda svängningar

Även om det länge har accepterats att höga halter av atmosfäriskt syre banade väg för djur att befolka jorden, globala kol- och syrecykler fluktuerade vilt under proterozoikum, mellan den tid då syre först ackumulerades i atmosfären under Great Oxygenation Event (GOE) för cirka 2,4 miljarder år sedan, och den tid då de stabiliserades nära moderna nivåer när djuren intog världsscenen efter NOE, för cirka 500 miljoner år sedan.

Under tiden mellan dessa två händelser, pulser av encelligt liv och varierande syrenivåer i haven tros ha stimulerat utvecklingen av mer komplext liv. Dessa gamla syrgungor var avgörande för utvecklingen av det flercelliga livet vid gränsen mellan prekambrium och kambrium (för 541 miljoner år sedan; kambrium är en geologisk period som markerade ursprung och diversifiering av komplexa djurliv på jorden). När pooler av syresatt vatten växte i havet, livet fick möjlighet att utvecklas mot en framtid då syret skulle ligga på stabila och höga nivåer. Hüttenberg -anomalin representerar ett sådant fönster av möjligheter för livet.

Kaufman jämför hoppet i syre med en annan syreoas i tid, Lomagundi -evenemanget direkt efter GOE. Lomagundi -händelsen har beskrivits som en falsk start, när syrekoncentrationerna steg till nivåer som kunde stödja lite liv, innan det minskar igen. Det skulle inte vara förrän NOE som syre skulle stiga till dagens nivåer.

"Här är en isotopavvikelse i neoproterozoikum som i stort sett associeras i tid med NOE, men som har en upp- och nedgångsstruktur som liknar GOE, "Kaufman berättar för Astrobiology Magazine." I båda ändarna av den proterozoiska Eon var det kontinental spridning, glaciationer, och djupa kolsvängningar; precis som GOE sannolikt var ansvarig för utvecklingen av enkla eukaryoter, NOE var inblandad i utvecklingen av multicellularitet. "

Så GOE inledde eukaryoter, som är mikrober med celler som innehåller en kärna lindad av ett membran, och NOE inledde ännu mer komplexa djur. Dessa exceptionella händelser i jordens historia innehöll var och en en evolutionär testpool som främjade nya livsformer. Hur exakt Hüttenberg -anomalin passar in i dessa händelser eller exakt vilken evolutionär konsekvens den fick återstår att se.

Tillfällig bostad

Under perioden mellan GOE och NOE, fickor eller bubblor av beboelse i en mestadels obeboelig planet skulle dyka upp, men dessa blips på radarn var reversibla. Förskjutning av isark eller avsaknad av erosion skulle minska element som kväve och fosfor som krävs för fotosyntetiserande liv, orsakar att syre- och kolsignaturerna försvinner. Vändpunkten skulle dyka upp i Kambriumperioden när planeten konsekvent syresattes.

Vi ser liknande effekter av avvikelser idag; i vår mest syresatta atmosfär, det finns fortfarande syreutarmade miljöer där livet kämpar för att bestå eller tar en alternativ evolutionär väg:inre hav, underjordiska grottor och oceaniska dödzoner där sulfat- eller nitrat-andningsskydd kvarstår medan resten av världen andas syre.

"Det finns fortfarande anoxiska miljöer på den moderna jorden, "Huan Cui, tidningens första författare, säger. "Om du går till Svarta havet, du kan fortfarande hitta lokala anoxiska miljöer i det moderna havet. "

I denna studie var anomalin syre. I dag, avvikelsen är brist på syre.

Medan stenar i andra delar av Namibia har studerats väl, berglagren som innehåller Hüttenberg -anomalin har urholkats i många sektioner, lämnar den viktiga dataposten saknad i årtionden.

Tar en titt till

Dr Paul Myrow, en geologiprofessor vid Colorado College som inte var inblandad i studien, säger att med tanke på de tidsbegränsningar denna studie ger, fler forskare kommer nu att titta närmare på andra gamla klippformationer och undersöka om denna anomali existerar någon annanstans på planeten.

Att analysera om ökningen av syre var begränsad eller utbredd i det gamla havet eller på olika antika kontinenter är något varje isotopisk studie måste ta hänsyn till.

"Ett av sätten vi kan få det svaret är att se om signalen från Hüttenberg -anomalin kan matchas till platser runt om i världen, "Myrow, som också studerar prekambriska havsförhållanden, säger. "Om det finns detta skift som skedde på olika kontinenter samtidigt, då kan vi vara mer säkra på att det här är globalt. "

Vid en tid då planetens oceaniska kemi, tektoniska plattor och invånare var i ett sådant tillstånd av obalans, jordens låga syre och instabila atmosfär kan anses vara farligt enligt dagens mått. När jorden förändrades, dess tonåriga besvär uppenbarades som illaluktande, svavelhaltiga gropar, håriga livssituationer, humöriga skiftningar i sitt boende, och vördnad mot sina medbor. Hüttenberg -avvikelsen är ett litet steg mot att jorden släpper ut sin smutsiga tvätt, städa upp och bli presentabel för de livsformer som utvecklades senare.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NASA:s Astrobiology Magazine. Utforska jorden och mer på www.astrobio.net.