Forskning ledd av University of St Andrews och publicerad i går (måndag 6 februari) i Natur – ger ny insikt om hur livet utvecklades tillsammans med förändringar i kemin på jordens yta. Dessa forskare undersökte geokemiska uppgifter om jordens "stora oxidationshändelse" för 2,3 miljarder år sedan, och fångade för första gången svaret från kvävecykeln på denna stora övergång i jordens ytmiljö.

Studien, som leddes av Dr Aubrey Zerkle från School of Earth &Environmental Sciences i St Andrews, fyller ett gap på ~400 miljoner år i geokemiska register över en dramatisk förändring som inträffade halvvägs genom jordens historia, när syre (O2) först ackumulerades i atmosfären.

Dr Zerkle förklarade:"Den "stora oxidationshändelsen" var utan tvekan den mest dramatiska miljöförändringen i jordens historia. Den var avgörande för utvecklingen av den gästvänliga miljö som vi lever idag, eftersom det var en förutsättning för utvecklingen av djur som universellt kräver O2 för att leva.

"Katastrofala omvälvningar i tidigare ytförhållanden som dessa ger ett kritiskt fönster för jordforskare att studera hur biosfären reagerar på miljöförändringar. Att förstå hur livet på denna planet reagerade på geokemiska förändringar i det förflutna kommer att hjälpa oss att tydligare förutsäga svaret på framtida förändringar, inklusive jordens värmande klimat. Det kommer också att informera vårt sökande efter beboeliga planeter i andra solsystem."

Rockkärnorna Dr Zerkle och hennes kollegor studerade, från National Core Library i Donkerhoek, Sydafrika, har nyligen använts för att datera förekomsten av den stora oxidationshändelsen, och erbjuda viktiga insikter om hur denna händelse påverkade tillgången på kväve. Kväve är ett väsentligt element i alla levande organismer, krävs för bildandet av proteiner, aminosyror, DNA och RNA. Som ett nyckel "näringsämne", kväve styr därför den globala primärproduktiviteten, som i sin tur reglerar klimatet, förvittring, och mängden syre på jordens yta.

Trots kvävets betydelse för livet, Det fanns stora luckor i de tidigare geokemiska uppgifterna om hur kvävets kretslopp har reagerat på kritiska händelser i jordens historia. Resultatet av Dr Zerkles forskning är en unik uppsättning högupplösta registreringar av kväveisotoper i sedimentära bergarter som registrerar miljöförhållandena under den stora oxidationshändelsen. Dessa detaljerade register dokumenterar den omedelbara starten av ett modernt nitratdrivet ekosystem, uppträder samtidigt med de första bevisen för O2 i atmosfären.

Hon förklarade:"Våra data visar den första förekomsten av utbredd nitrat, som kunde ha stimulerat den snabba diversifieringen av komplexa organismer, het i hälarna på global syresättning. Byggstenarna var tydligen på plats, frågan som återstår är varför den eukaryotiska evolutionen till synes stannade i ytterligare en miljard eller fler år."

Resultaten stöds av en nyligen genomförd studie av selenisotoper över samma tidsintervall av forskare inklusive Dr Eva Stüeken från University of St Andrews. Dr Stüeken och kollegor fann att selencykeln stördes på ett sätt som bara kan förklaras av en expansion av syre i ythavet – tillräckligt för att generera nitrat och potentiellt stödja komplext liv. Dr Andrey Bekker från UC-Riverside, som var medförfattare till båda studierna, förklarade:"Vi vet nu att redoxförhållandena var gynnsamma för att komplext liv skulle utvecklas omedelbart efter den stora oxidationshändelsen. Frågan är om eukaryoter inte utvecklades i den tidiga paleoproterozoiken, vilka är de andra inneboende kontrollerna som bestämmer livets utveckling?"