Mängden biomassa - liv - i jordens forntida hav kan ha varit begränsad på grund av låg återvinning av det viktiga näringsämnet fosfor, enligt ny forskning från University of Washington och University of St. Andrews i Skottland.

Forskningen, publicerad online 22 november i tidskriften Vetenskapens framsteg , kommenterar också vulkanismens roll för att stödja jordens tidiga biosfär – och kan till och med gälla sökandet efter liv i andra världar.

Tidningens huvudförfattare är Michael Kipp, en UW doktorand i jord- och rymdvetenskap; medförfattare är Eva Stüeken, en forskare vid University of St. Andrews och tidigare UW-postdoktor. Roger Buick, UW professor i jord- och rymdvetenskap, rådde forskarna.

Deras mål, Kipp sa, var att använda teoretisk modellering för att studera hur havsfosfornivåerna har förändrats genom jordens historia.

"Vi var intresserade av fosfor eftersom det tros vara det näringsämne som begränsar mängden liv som finns i havet, tillsammans med kol och kväve, " sa Kipp. "Du ändrar den relativa mängden av dem och du ändrar, i grund och botten, mängden biologisk produktivitet."

Kipp sa att deras modell visar att fosfors förmåga att återvinnas i det antika havet "var mycket lägre än idag, kanske i storleksordningen 10 gånger mindre."

Allt liv behöver riklig mat för att trivas, och det kemiska elementet fosfor - som sköljer in i havet från floder som fosfat - är ett viktigt näringsämne. Väl i havet, Fosfor återvinns flera gånger eftersom organismer som plankton eller eukaryota alger som "äter" det i sin tur konsumeras av andra organismer.

"Eftersom dessa organismer använder fosfor, de i sin tur blir betade på, eller så dör de och andra bakterier bryter ner sitt organiska material, sa Kipp, "och de släpper ut en del av den fosforn tillbaka i havet. Den cirkulerar faktiskt flera gånger, " tillåta den frigjorda fosforn att byggas upp i havet. Mängden återvinning är en nyckelkontroll på mängden total fosfor i havet, som i sin tur stödjer livet.

Buick förklarade:"Varje trädgårdsmästare vet att deras växter bara växer små och knasiga utan fosfatgödsel. Detsamma gäller för fotosyntetiskt liv i haven, där fosfatets "gödselmedel" till stor del kommer från fosfor som frigörs genom nedbrytningen av död plankton."

Men allt detta kräver syre. I dagens syrerika hav, nästan all fosfor återvinns på detta sätt och lite faller till havsbotten. För flera miljarder år sedan, under den prekambriska eran, dock, det fanns lite eller inget syre i miljön.

"Det finns några alternativ till syre som vissa bakterier kan använda, sa medförfattaren Stüeken. "Vissa bakterier kan smälta mat med hjälp av sulfat. Andra använder järnoxider." Sulfat, Hon sa, var den viktigaste kontrollen av fosforåtervinning under den prekambriska eran.

"Vår analys visar att dessa alternativa vägar var den dominerande vägen för fosforåtervinning i Prekambrium, när syre var mycket lågt, " sade Stüeken. "Men, de är mycket mindre effektiva än matsmältning med syre, vilket innebär att endast en mindre mängd biomassa kunde rötas. Som en konsekvens, mycket mindre fosfor skulle ha återvunnits, och därför skulle den totala biologiska produktiviteten ha undertryckts i förhållande till idag."

Kipp liknade tidiga jordens hav med låg syrehalt vid en sorts "konserverad" miljö, med syre förseglat:"Det är ett slutet system. Om du går tillbaka till de tidiga prekambriska haven, det händer inte så mycket när det gäller biologisk aktivitet."

Stüeken noterade att vulkaner var den största källan till sulfat i Prekambrium, till skillnad från nu, och så de var nödvändiga för att upprätthålla en betydande biosfär genom att möjliggöra fosforåtervinning.

Faktiskt, minus sådant vulkaniskt sulfat, Stüeken sa, Jordens biosfär skulle ha varit väldigt liten, och kanske inte har överlevt under miljarder år. Resultaten, sedan, illustrera "hur starkt livet är bundet till grundläggande geologiska processer som vulkanism på den tidiga jorden, " Hon sa.

Kipp och Stüekens modellering kan också ha konsekvenser för sökandet efter liv bortom jorden.

Astronomer kommer att använda kommande mark- och rymdbaserade teleskop som James Webb Space Telescope, planeras att lanseras 2019, att leta efter effekterna av en marin biosfär, som jorden har, på en planets atmosfär. Men lågt fosfor, forskarna säger, kan få en bebodd värld att framstå som obebodd – vilket gör ett slags "falsk negativ".

Kipp sa, "Om det finns mindre liv - i princip, mindre fotosyntetisk produktion – det är svårare att ackumulera atmosfäriskt syre än om du hade moderna fosfornivåer och produktionshastigheter. Detta kan betyda att vissa planeter kan tyckas vara obebodda på grund av deras brist på syre, men i verkligheten har de biosfärer som är begränsade i omfattning på grund av låg fosfortillgång.

"Dessa "falska negativa" är en av de största utmaningarna som vi står inför i sökandet efter liv någon annanstans, sa Victoria Meadows, UW astronomiprofessor och huvudforskare för NASA Astrobiology Institutes Virtual Planetary Laboratory, baserad på UW.

"Men forskning om tidiga jordens miljöer ökar vår chans att lyckas genom att avslöja processer och planetariska egenskaper som styr vårt sökande efter liv på närliggande exoplaneter."