För utvecklingen av djur, ingenting – med undantag för DNA – kan vara viktigare än syre i atmosfären.

Syre möjliggör de kemiska reaktioner som djur använder för att få energi från lagrade kolhydrater – från mat. Så det kanske inte är någon slump att djur dök upp och utvecklades under den "kambriska explosionen, " som sammanföll med en ökning av atmosfäriskt syre för ungefär 500 miljoner år sedan.

Det var under den kambriska explosionen som de flesta av de nuvarande djurdesignerna dök upp.

I gröna växter, fotosyntesen separerar koldioxid till molekylärt syre (som släpps ut i atmosfären), och kol (som lagras i kolhydrater).

Men fotosyntesen hade redan funnits i minst 2,5 miljarder år. Så vad förklarade den plötsliga ökningen av syre under kambrium?

En studie nu online i februarinumret av Earth and Planetary Science Letters kopplar syreökningen till en snabb ökning av nedgrävningen av sediment som innehåller stora mängder kolrikt organiskt material. Nyckeln, säger studiens medförfattare Shanan Peters, professor i geovetenskap vid University of Wisconsin–Madison, är att inse att sedimentlagring blockerar oxidationen av kol.

Utan begravning, denna oxidationsreaktion gör att dött växtmaterial på jordens yta brinner. Det orsakar kolet den innehåller, som har sitt ursprung i atmosfären, att binda med syre för att bilda koldioxid. Och för att syre ska byggas upp i vår atmosfär, organiskt växtmaterial måste skyddas från oxidation.

Och det är precis vad som händer när organiskt material — råvaran för kol, olja och naturgas – begravs genom geologiska processer.

För att göra det här fallet, Peters och hans postdoktor Jon Husson bröt en unik datamängd som heter Macrostrat, en ansamling av geologisk information om Nordamerika vars konstruktion Peters har stått bakom i 10 år.

De parallella graferna för syre i atmosfären och sedimentbegravning, baserat på bildandet av sedimentärt berg, indikerar ett samband mellan syre och sediment. Båda graferna visar en mindre topp för 2,3 miljarder år sedan och en större för cirka 500 miljoner år sedan.

"Det är ett samband, men vårt argument är att det finns mekanistiska samband mellan geologi och historien om atmosfäriskt syre, " säger Husson. "När du lagrar sediment, den innehåller organiskt material som bildades genom fotosyntes, som omvandlade koldioxid till biomassa och släppte ut syre i atmosfären. Begravning tar bort kolet från jordens yta, hindrar det från att binda molekylärt syre som dras från atmosfären."

Några av ökningarna av sedimentbegravning som Husson och Peters identifierade sammanföll med bildandet av stora fält av fossilt bränsle som fortfarande bryts idag, inklusive den oljerika Permian Basin i Texas och Pennsylvanias kolfält i Appalachia.

"Att begrava sedimenten som blev fossila bränslen var nyckeln till avancerat djurliv på jorden, Peters säger, noterar att flercelligt liv till stor del är en skapelse av kambrium.

I dag, Att bränna miljarder ton lagrat kol i fossila bränslen tar bort stora mängder syre från atmosfären, vända mönstret som drev ökningen av syre. Och så sjunker syrehalten i atmosfären när koncentrationen av koldioxid stiger.

Data om Nordamerika i Macrostrat återspeglar tusentals geoforskares arbete under mer än ett sekel. Den aktuella studien berör endast Nordamerika, eftersom omfattande databaser som rör de övriga 80 procenten av jordens kontinentala yta ännu inte existerar.

Den yttersta geologiska orsaken till den accelererade sedimentlagringen som främjade de två ökningarna av syre är fortfarande grumlig. "Det finns många idéer för att förklara de olika faserna av syrekoncentration, "Husson medger. "Vi misstänker att djupt rotade förändringar i rörelsen av tektoniska plattor eller ledning av värme eller cirkulation i manteln kan vara i spel, men vi har ingen förklaring just nu."

Håller en bit trilobit-besatt ordoviciumskiffer som bildades för cirka 450 miljoner år sedan, Peters frågar, "Varför finns det syre i atmosfären? Gymnasieförklaringen är 'fotosyntes'. Men vi har vetat länge, går hela vägen tillbaka till Wisconsin geolog (och University of Wisconsin president) Thomas Chrowder Chamberlin, att bygga upp syre kräver bildning av stenar som denna svarta skiffer, som kan vara rik nog på kol för att faktiskt brinna. Det organiska kolet i denna skiffer fixerades från atmosfären genom fotosyntes, och dess begravning och bevarande i denna sten frigjorde molekylärt syre."

Vad är nytt i den aktuella studien, Husson säger, är förmågan att dokumentera detta förhållande i en bred databas som täcker 20 procent av jordens landyta.

Kontinuerlig nedgrävning av kol behövs för att hålla atmosfären upppumpad med syre. Många vägar på jordens yta, Husson noterar, som oxidation av järn – rost – förbrukar fritt syre. "Hemligheten med att ha syre i atmosfären är att ta bort en liten del av den nuvarande biomassan och binda den i sedimentära avlagringar. Det var vad som hände när fossila bränslen deponerades."