Vi och alla andra djur skulle inte vara här idag om vår planet inte hade mycket syre i atmosfären och haven. Men hur avgörande var höga syrenivåer för övergången från enkel, encelliga livsformer till den komplexitet vi ser idag?

En studie från University of California, Berkeleys geokemister presenterar nya bevis för att höga nivåer av syre inte var avgörande för djurens ursprung.

Forskarna fann att övergången till en värld med ett syresatt djuphav skedde för mellan 540 och 420 miljoner år sedan. De tillskriver detta en ökning av atmosfärisk O2 till nivåer jämförbara med 21 procent syre i atmosfären idag.

Denna antydda ökning kommer hundratals miljoner år efter djurens ursprung, som inträffade för mellan 700 och 800 miljoner år sedan.

"Syrgassättningen av djuphavet och vår tolkning av detta som ett resultat av en ökning av atmosfärisk O2 var en ganska sen händelse i samband med jordens historia, sa Daniel Stolper, en biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley. "Detta är viktigt eftersom det ger nya bevis för att ursprunget till tidiga djur, som krävde O2 för sin ämnesomsättning, kan ha pågått i en värld med en atmosfär som hade relativt låga syrenivåer jämfört med idag."

Han och postdoktor Brenhin Keller kommer att rapportera sina resultat i en tidning som publiceras online den 3 januari före publicering i tidskriften Natur . Keller är också ansluten till Berkeley Geochronology Center.

Syre har spelat en nyckelroll i jordens historia, inte bara på grund av dess betydelse för organismer som andas syre, men på grund av dess tendens att reagera, ofta våldsamt, med andra föreningar för att, till exempel, göra järn rost, växter brinner och naturgas exploderar.

Spåra koncentrationen av syre i havet och atmosfären under jordens 4,5 miljarder år långa historia, dock, är inte lätt. Under de första 2 miljarderna åren, de flesta forskare tror att mycket lite syre fanns i atmosfären eller havet. Men för cirka 2,5-2,3 miljarder år sedan, atmosfärens syrenivåer ökade först. De geologiska effekterna av detta är uppenbara:stenar på land som exponerats för atmosfären började plötsligt bli röda när järnet i dem reagerade med syre för att bilda järnoxider som liknar hur järnmetall rostar.

Jordforskare har beräknat att runt denna tid, atmosfäriska syrenivåer översteg först cirka hundra tusendelar av dagens nivå (0,001 procent), men förblev för låg för att syresätta djuphavet, som förblev i stort sett anoxisk.

För 400 miljoner år sedan, fossila kolavlagringar uppstår först, en indikation på att atmosfäriska O2-nivåer var tillräckligt höga för att stödja skogsbränder, som kräver cirka 50 till 70 procent av moderna syrenivåer, och syresätta djuphavet. Hur atmosfäriska syrenivåer varierade mellan 2, För 500 och 400 miljoner år sedan är mindre säkert och förblir föremål för debatt.

"Att fylla i historien om atmosfäriska syrenivåer från cirka 2,5 miljarder till 400 miljoner år sedan har varit av stort intresse med tanke på O2:s centrala roll i många geokemiska och biologiska processer. en förklaring till varför djur dyker upp när de gör det är för att det är ungefär när syrenivåerna först närmade sig de höga atmosfäriska koncentrationer som ses idag, " sade Stolper. "Denna förklaring kräver att de två är kausalt kopplade så att förändringen till nästan moderna atmosfäriska O2-nivåer var en miljömässig drivkraft för utvecklingen av våra syrekrävande föregångare."

I kontrast, vissa forskare tror att de två händelserna i stort sett inte är relaterade. Avgörande för att hjälpa till att lösa denna debatt är att fastställa när atmosfärens syrenivåer steg till nära moderna nivåer. Men tidigare uppskattningar av när denna syresättning inträffade sträcker sig från 800 till 400 miljoner år sedan, gränsöverskridande perioden under vilken djuren har sitt ursprung.

När ändrades syrehalten för andra gången?

Stolper och Keller hoppades kunna peka ut en viktig milstolpe i jordens historia:när syrenivåerna blev tillräckligt höga - cirka 10 till 50 procent av dagens nivå - för att syresätta djuphavet. Deras tillvägagångssätt är baserat på att titta på oxidationstillståndet för järn i vulkaniska bergarter som bildas under havet (kallas "ubåtar") vulkanutbrott, som producerar "kuddar" och massiva flöden av basalt när den smälta stenen extruderar från havsryggarna. Kritiskt, efter utbrottet, havsvatten cirkulerar genom klipporna. I dag, dessa cirkulerande vätskor innehåller syre och oxiderar järnet i basalterna. Men i en värld med djupa oceaner utan O2, de förväntade sig liten förändring i oxidationstillståndet för järn i basalterna efter utbrottet.

"Vår idé var att studera historien om järnets oxidationstillstånd i dessa basalter och se om vi kunde peka ut när järnet började visa tecken på oxidation och därmed när djuphavet först började innehålla avsevärda mängder löst O2, sa Stolper.

Att göra detta, de sammanställde mer än 1, 000 publicerade mätningar av oxidationstillståndet för järn från forntida undervattensbasalter. De fann att det basaltiska järnet bara blir markant oxiderat i förhållande till magmatiska värden för mellan cirka 540 och 420 miljoner år sedan, hundratals miljoner år efter djurens ursprung. De tillskriver denna förändring till ökningen av atmosfäriska O2-nivåer till nära moderna nivåer. Detta fynd överensstämmer med vissa men inte alla historier om atmosfäriska och oceaniska O2-koncentrationer.

"Detta arbete indikerar att en ökning av atmosfärisk O2 till nivåer som är tillräckliga för att syresätta djuphavet och skapa en värld som liknar den som vi ser idag inte var nödvändig för uppkomsten av djur, sade Stolper. Dessutom, ubåtsbasaltrekordet ger en ny, kvantitativt fönster till det geokemiska tillståndet i djuphavet för hundratals miljoner till miljarder år sedan."