Ett prov av 2 miljarder år gammalt salt (rosa-vit omkristalliserad halit) med inbäddade fragment av kalciumsulfat från en geologisk borrkärna i ryska Karelen. Kredit:Aivo Lepland, Norges geologiska undersökning; med tillstånd av Science/AAAS
En 2 miljarder år gammal bit havssalt ger nya bevis för omvandlingen av jordens atmosfär till en syresatt miljö som kan stödja livet som vi känner det.
Studien av ett internationellt team av institutioner inklusive Princeton University fann att ökningen av syre som inträffade för cirka 2,3 miljarder år sedan, känd som den stora oxidationshändelsen, var mycket mer omfattande än vad som tidigare angivits.
"Istället för en droppe, det var mer som en brandslang, sa Clara Blättler, en postdoktor vid Institutionen för geovetenskaper i Princeton och första författare till studien, som publicerades online av tidskriften Vetenskap på torsdag, 22 mars. "Det var en stor förändring i produktionen av syre."
Bevisen för den djupa uppgången i syre kommer från kristalliserade saltstenar utvunna från ett 1,2 mil djupt hål i regionen Karelen i nordvästra Ryssland. Dessa saltkristaller lämnades kvar när forntida havsvatten avdunstade, och de ger geologer oöverträffade ledtrådar till sammansättningen av haven och atmosfären på jorden för mer än 2 miljarder år sedan.
Den viktigaste indikationen på ökningen av syreproduktionen kom från upptäckten att mineralfyndigheterna innehöll en förvånansvärt stor mängd av en komponent av havsvatten som kallas sulfat, som skapades när svavel reagerade med syre.
"Detta är det starkaste beviset någonsin på att det gamla havsvattnet från vilket dessa mineraler fälldes ut hade höga sulfatkoncentrationer som nådde minst 30 procent av dagens oceaniska sulfat som våra uppskattningar visar, sa Aivo Lepland, en forskare vid Norges geologiske undersøkelse, en geologispecialist vid Tallinns tekniska universitet, och senior författare på studien. "Detta är mycket högre än man tidigare trott och kommer att kräva avsevärd omtanke om storleken på syresättningen av jordens 2 miljarder år gamla atmosfär-havsystem."
Syre utgör cirka 20 procent av luften och är avgörande för livet som vi känner det. Enligt geologiska bevis, syre började dyka upp i jordens atmosfär för mellan 2,4 och 2,3 miljarder år sedan.
Prov av två miljarder år gammalt salt (rosa-vit omkristalliserad halit) med inbäddade grupper av anhydrit-magnesit och lersten från en geologisk borrkärna i ryska Karelen. Kredit:Fotografi av Pavel Medvedev (Karelian Research Centre, Ryssland)
Fram till den nya studien, dock, geologer var osäkra på om denna ansamling av syre – orsakad av tillväxten av cyanobakterier som kan fotosyntes, som går ut på att ta in koldioxid och avge syre – var en långsam händelse som tog miljontals år eller en snabbare händelse.
"Det har varit svårt att testa dessa idéer eftersom vi inte hade bevis från den eran för att berätta om atmosfärens sammansättning, sa Blättler.
De nyligen upptäckta kristallerna ger det beviset. Saltkristallerna som samlas in i Ryssland är över en miljard år äldre än några tidigare upptäckta saltavlagringar. Avlagringarna innehåller halit, som kallas stensalt och är kemiskt identisk med bordssalt eller natriumklorid, såväl som andra salter av kalcium, magnesium och kalium.
Normalt löser sig dessa mineraler lätt och skulle sköljas bort med tiden, men i detta fall var de exceptionellt välbevarade djupt inne i jorden. Geologer från Norges geologiska undersøkelse i samarbete med Karelian Research Center i Petrozavodsk, Ryssland, återvann salterna från en borrplats som kallas Onega Parametric Hole (OPH) på Onegasjöns västra strand.
De unika egenskaperna hos provet gör dem mycket värdefulla för att sammanföra historien om vad som hände efter den stora oxidationshändelsen, sa John Higgins, biträdande professor i geovetenskap vid Princeton, som gav tolkning av den geokemiska analysen tillsammans med andra medförfattare.
"Detta är en ganska speciell klass av geologiska fyndigheter, ", sa Higgins. "Det har varit en hel del debatt om huruvida den stora oxidationshändelsen, som är knuten till att öka och minska i olika kemiska signaler, representerar en stor förändring i syreproduktionen, eller bara en tröskel som passerats. Summan av kardemumman är att det här dokumentet ger bevis för att syresättningen av jorden under denna tidsperiod involverade mycket syreproduktion."
Forskningen kommer att stimulera utvecklingen av nya modeller för att förklara vad som hände efter den stora oxidationshändelsen för att orsaka ackumulering av syre i atmosfären, sa Blättler. "Det kan ha skett viktiga förändringar i återkopplingscykler på land eller i haven, eller en stor ökning av syreproduktion av mikrober, men hur som helst var det mycket mer dramatiskt än vi hade en förståelse för tidigare."
