I tre miljarder år eller mer, utvecklingen av det första djurlivet på jorden var redo att ske, nästan väntar i kulisserna. Men det andningsbara syret det krävde fanns inte, och bristen på enkla näringsämnen kan ha varit skyldiga.

Sedan kom en häftig planetarisk metamorfos. För ungefär 800 miljoner år sedan, i den sena Proterozoic Eon, fosfor, ett kemiskt element som är nödvändigt för allt liv, började ackumuleras i grunda havszoner nära kustlinjer som allmänt anses vara födelseplatsen för djur och andra komplexa organismer, enligt en ny studie av geovetare från Georgia Institute of Technology och Yale University.

Tillsammans med fosforackumulering kom en global kemisk kedjereaktion, som inkluderade andra näringsämnen, som fick organismer att pumpa ut syre i atmosfären och haven. Kort efter den övergången, vågor av extrema klimat svepte över världen, frysa det två gånger i tiotals miljoner år varje gång, en högt ansedd teori håller. Den förhöjda tillgången på näringsämnen och förstärkt syre drev sannolikt också evolutionens största utfall framåt.

Efter miljarder år, under vilken livet nästan uteslutande bestod av encelliga organismer, djur utvecklats. I början, de var extremt enkla, liknar dagens svampar eller maneter, men jorden var på väg från att vara, för evigheter, en planet mindre än gästvänlig för komplext liv för att bli en full av det.

Jordens verkliga tillkomst

Under de senaste hundra miljoner åren, den biologiska mångfalden har blomstrat, leder till täta djungler och gräsmarker som ekar av djurens rop, och vatten som vrider sig med varje form av fena och färg på skalan. Och nästan varje utvecklingsstadium har satt sina spår i fossilregistret.

Forskarna är noga med att inte antyda att fosfor nödvändigtvis orsakade kedjereaktionen, men i sedimentärt berg tagna från kustområden, näringsämnet har markerat platsen där den explosionen av liv och klimatförändringar tog fart. "Tidpunkten är definitivt iögonfallande, sa Chris Reinhard, en biträdande professor vid Georgia Techs School of Earth and Atmospheric Sciences.

Reinhard och Noah Planavsky, en geokemist från Yale University, som ledde forskningen tillsammans, har brutit uppgifter om sedimentära bergarter som bildats i gamla kustzoner, gick ner lager för lager till 3,5 miljarder år sedan, för att beräkna hur cykeln för det essentiella gödselmedlet fosfor utvecklades och hur det verkade spela en stor roll i en veritabel tillkomst.

De märkte en anmärkningsvärd kongruens när de rörde sig uppåt genom skikten av skiffer in i den tidsperiod då djurlivet började, i den sena proterozoiska Eon.

"Den mest grundläggande förändringen var från mycket begränsad fosfortillgång till mycket högre fosfortillgång i havets ytvatten, ", sa Reinhard. "Och övergången verkade inträffa precis vid den tidpunkt då det var mycket stora förändringar i syrenivåerna i havet och atmosfären och precis innan djurens uppkomst."

Fosfor på stranden

Reinhard och Planavsky, tillsammans med ett internationellt team, har föreslagit att en rensning av näringsämnen i en anoxisk (nästan O2-fri) värld hämmade fotosyntetiska organismer som annars hade varit redo i minst två miljarder år för att skapa lager av syre. Sedan stördes det balanserade systemet och havsfosfor tog sig till kustvattnen.

Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Natur på onsdag, 21 december, 2016. Deras forskning finansierades av National Science Foundation, NASA Astrobiology Institute, Sloan Foundation och Japan Society for the Promotion of Science.

Verket ger en ny syn på vilka faktorer som tillät liv att omforma jordens atmosfär. Det hjälper till att lägga en grund som forskare kan använda för att göra förutsägelser om vad som skulle tillåta liv att förändra exoplaneternas atmosfärer, och kan inspirera till djupare studier, här på jorden, om hur oceanisk-atmosfärisk kemi driver klimatinstabilitet och påverkar livets uppgång och fall genom tiderna.

Cyanobakterier, mamman till O2

Komplexa levande saker, inklusive djur, har vanligtvis en enorm ämnesomsättning och kräver rikligt med O2 för att driva den. Djurens utveckling är otänkbar utan den.

Vägen till att förstå hur en näringsbrist skulle svälta ut syreproduktion som kan andas leder tillbaka till en mycket speciell typ av bakterier som kallas cyanobakterier, syrets moder på jorden.

"Den enda anledningen till att vi har en välsyresatt planet vi kan leva på är på grund av syrehaltig fotosyntes, " sade Planavsky. "O2 är avfallsprodukten från fotosyntetiserande celler, som cyanobakterier, kombinerar CO2 och vatten för att bygga socker."

Och fotosyntes är en evolutionär singularitet, vilket betyder att det bara har utvecklats en gång i jordens historia - i cyanobakterier.

Vissa andra biologiska fenomen har utvecklats upprepade gånger i dussintals eller hundratals orelaterade fall genom tiderna, såsom övergången från encelliga organismer till rudimentära flercelliga organismer. Men forskare är övertygade om att syrehaltig fotosyntes endast utvecklats denna ena gång i jordens historia, endast i cyanobakterier, och alla växter och andra varelser på jorden som fotosyntetiserar samordnade utvecklingen.

Järnankaret

Cyanobakterier är krediterade för att fylla jordens atmosfär med O2, och de har funnits i 2,5 miljarder år eller mer.

Det väcker frågan:Vad tog så lång tid? Grundläggande näringsämnen som matade bakterierna var inte lätt tillgängliga, vetenskapsmannen antar. Fosfor, som Planavsky och Reinhard specifikt spårade, var i havet i miljarder år, för, men den var uppbunden på fel ställen.

I evigheter, mineralet järn, som en gång mättade hav, troligen bunden med fosfor, och sänkte den till mörka havsdjup, långt borta från dessa grunda – även kallade kontinentala marginaler – där cyanobakterier skulle ha behövt det för att trivas och producera syre. Även i dag, järn används för att behandla vatten som är förorenat med gödningsmedel för att avlägsna fosfor genom att sänka det som djupt sediment.

Forskarna använde också en geokemisk modell för att visa hur ett globalt system med hög järnkoncentration och låg fosfortillgång i kombination med låg kvävetillgång i havsgrunda kan bevara sig själv i en värld med låg syrehalt.

"Det ser ut att ha varit ett så stabilt planetsystem, " sa Reinhard. "Men det är uppenbarligen inte planeten vi lever på nu, så frågan är, hur gick vi över från detta lågsyretillstånd till där vi är nu?"

Vad som i slutändan orsakade den förändringen är en fråga för framtida forskning.

Fosfor startpistol

Men något förändrades för ungefär 800 miljoner år sedan, och cyanobakterier och andra små organismer i kontinentala marginalekosystem fick mer fosfor, ryggraden i DNA och RNA, och en huvudaktör i cellmetabolism. Bakterierna blev mer aktiva, reproduceras snabbare, åt mycket mer fosfor och gjorde massor av O2.

"Fosfor är inte bara nödvändigt för livet, "Sa Planavsky. "Det som är implicit i allt detta är:Det kan kontrollera mängden liv på vår planet."

När de nyförökade bakterierna dog, de föll till golvet i de där havsgrunderna, stapla upp lager för lager för att förmultna och berika leran med fosfor. Leran komprimerades så småningom till sten.

"När biomassan ökade i fosforhalt, ju mer av det landade i lager av sedimentärt berg, " sa Reinhard. "Till forskare, den skiffern är sidorna i havsbottens historiebok."

Forskare har tumlat igenom dem i decennier, sammanställa data. Planavsky och Reinhard analyserade ett 15 -tal, 000 rockskivor för deras studie.

"Den första sammanställningen vi hade av detta var bara 600 prover, sade Planavsky. Reinhard tillade, "Men du kunde se det redan då. Fosforstöten var klar som dagen. Och när databasen växte i storlek, fenomenet blev mer förankrat."

Den där första signalen om fosfor i jordens grunda kust dyker upp i skifferrekordet som ett skott från en startpistol i kampen om rikligt liv.