Syrenivåerna i jordens atmosfär har sannolikt "fluktuerat vilt" för 1 miljard år sedan, vilket skapat förhållanden som kunde ha påskyndat utvecklingen av tidigt djurliv, enligt ny forskning.

Forskare tror att atmosfäriskt syre utvecklades i tre steg, som börjar med vad som kallas den stora oxidationshändelsen för cirka 2 miljarder år sedan, när syre först dök upp i atmosfären. I det tredje steget, för cirka 400 miljoner år sedan, steg atmosfäriskt syre till nivåer som finns idag.

Det som är osäkert är vad som hände under det andra stadiet, i en tid känd som den neoproterozoiska eran, som började för cirka 1 miljard år sedan och varade i cirka 500 miljoner år, under vilken tid tidiga former av djurliv uppstod.

Frågorna som forskare har försökt svara på är:Fanns det något extraordinärt med förändringarna i syrenivåerna under den neoproterozoiska eran som kan ha spelat en avgörande roll i djurens tidiga utveckling? Ökade syrehalten plötsligt eller skedde en gradvis ökning?

Fossiliserade spår av tidiga djur – kända som Ediacaran biota, flercelliga organismer som krävde syre – har hittats i sedimentära bergarter som är 541 till 635 miljoner år gamla.

För att försöka svara på frågorna använde ett forskarlag vid University of Leeds med stöd av universiteten i Lyon, Exeter och UCL mätningar av de olika former av kol, eller kolisotoper, som finns i kalkstensklippor tagna från grunda hav. Baserat på isotopförhållandena för de olika typerna av kol som hittats kunde forskarna beräkna fotosyntesnivåer som fanns för miljoner år sedan och härleda atmosfäriska syrenivåer.

Som ett resultat av beräkningarna har de kunnat producera ett register över syrenivåer i atmosfären under de senaste 1,5 miljarder åren, vilket berättar för oss hur mycket syre som skulle ha spridits ut i havet för att stödja det tidiga marina livet.

Dr Alex Krause, en biogeokemisk modellare som avslutade sin doktorsexamen. vid School of Earth and Environment i Leedsand var den ledande forskaren i projektet, sa resultaten ger ett nytt perspektiv på hur syrenivåerna förändrades på jorden.

Han tillade, "Den tidiga jorden, under de första 2 miljarder åren av dess existens, var anoxisk, utan atmosfäriskt syre. Sedan började syrenivåerna att stiga, vilket är känt som den stora oxidationshändelsen.

"Hittills har forskare trott att efter den stora oxidationshändelsen var syrenivåerna antingen låga och sedan sköts upp precis innan vi såg de första djuren utvecklas, eller att syrenivåerna var höga i många miljoner år innan djuren kom.

"Men vår studie visar att syrenivåerna var mycket mer dynamiska. Det var en svängning mellan höga och låga nivåer av syre under lång tid innan tidiga former av djurliv uppstod. Vi ser perioder där havsmiljön, där tidiga djur levde, skulle har haft rikligt med syre – och sedan perioder där det inte har det.

Dr. Benjamin Mills, som leder Earth Evolution Modeling Group i Leeds och övervakade projektet, sa:"Denna periodiska förändring av miljöförhållandena skulle ha skapat evolutionära tryck där vissa livsformer kan ha dött ut och nya kan dyka upp."

Dr Mills sa att de syresatta perioderna utökade vad som kallas "beboeliga utrymmen" - delar av havet där syrenivåerna skulle ha varit tillräckligt höga för att stödja tidiga djurlivsformer.

Han sa, "Det har föreslagits i ekologisk teori att när du har ett beboeligt utrymme som expanderar och krymper, kan detta stödja snabba förändringar av mångfalden av biologiskt liv.

"När syrenivåerna sjunker, finns det ett hårt miljötryck på vissa organismer som kan leda till utrotning. Och när det syrerika vattnet expanderar, tillåter det nya utrymmet de överlevande att stiga till ekologisk dominans.

"Dessa utökade beboeliga utrymmen skulle ha varat i miljontals år, vilket ger gott om tid för ekosystem att utvecklas."

Forskningen publiceras i Science Advances .