Forskare vid institutionen för geovetenskaper vid Syracuse University har bekräftat att stigande oceaniska och atmosfäriska syrenivåer utvecklades tillsammans med marint liv för hundratals miljoner år sedan.

Wanyi Lu, en Ph.D. kandidat som studerar under docent Zunli Lu (ingen relation) i College of Arts and Sciences, är huvudförfattare till en banbrytande artikel i Vetenskap tidskrift.

Tidningen härstammar från ett flerårigt, multinationell forskningssatsning ledd av Zunli Lu som omprövar orsakerna och effekterna av ökad syresättning på kontinentalsockeln under den nuvarande Phanerozoic Eon, som började för mer än 542 miljoner år sedan.

"De flesta studier av syrehistorien fokuserar på atmosfären och djupa hav, med konsekvenser för livets utveckling, " säger Zunli Lu. "Vi tror att den oceaniska syrenivån i vattenpelaren ovanför kontinentalsocklarna [dvs. det övre havet] kan ha varit ett annat odjur."

Centralt i lagets forskning var en geokemisk proxy som Lu var pionjär 2010. Genom att använda en ny metod baserad på jodgeokemi, han och hans kollegor mätte förhållandet mellan jod och kalcium i kalciumkarbonatmineraler och fossiler.

Timothy Lyons, Erkänd professor i biogeokemi vid University of California, Riverside (UCR), anser att jodgeokemi är ett "kraftigt verktyg" för att begränsa syreförhållandena under förhållanden från yta till nära yta i det antika havet. "Detta är vattnet där de tidigaste djuren först uppträdde, utvecklats och avancerat mot komplexa ekologier, " säger han. "Resultaten från denna studie avslöjar tidigare oanade miljödynamik i dessa tidiga vatten, och de förhållandena måste ha påverkat djur."

Lu tar berömmet med ro, men insisterar på att gruppens resultat är nya. "Övre havet blev väl syresatt mycket senare än man ursprungligen trodde, " han säger.

Syracuse-geokemisten illustrerar sin poäng genom att beskriva ett tjockt dis av metan som ursprungligen omslöt planeten, lämnar lite eller inget syre i atmosfären. Fotosyntetiserande mikrober producerade så småningom tillräckligt med kemisk energi, får fritt syre att samlas i atmosfären. "Detta satte scenen för den stora oxidationshändelsen för cirka 2,3 miljarder år sedan, " han säger.

Med syresättningen kom ökningen av flercelliga livsformer under de kommande miljarderna åren. Bland dem var eukaryoter, vars genetiska information lagrades i en membranbunden kärna eller kärnor.

Frågan i allas sinne, särskilt Wanyi Lu's, var hur och när det globala havet blev tillräckligt syresatt för att rymma olika marina livsformer, inklusive de som lever idag.

"Våra joddata överensstämmer med en kraftig ökning av atmosfärens syrenivå som inträffade för cirka 400 miljoner år sedan, säger Lu, vars doktorandstudier involverar lågtemperaturgeokemi och globala miljöförändringar. "Ändå, syrenivåerna i övre havet stabiliserades inte vid nästan moderna förhållanden förrän för 200 miljoner år sedan, när större eukaryot plankton dominerade världshaven. Timingen är helt vettig."

För att förstå sådana observationer i bergrekordet, man måste uppskatta storskaliga biogeokemiska och oceanografiska processer, samt atmosfärens kemiska sammansättning. "Vi undersökte rollerna för dessa två kontroller i det övre havet, använder en sofistikerad Earth System Model [ESM] med ett intressant namn:GENIE, som är en förkortning för 'Grid-Enabled Integrated Earth, '" säger Zunli Lu.

Andy Ridgwell, professor i geovetenskaper vid UCR, utvecklat GENIEs signaturmodelleringsramverk, som sammanställer en rad ESM-simuleringar över olika tidsskalor. "Det innovativa sättet som Syracuse-teamet kombinerade mätningar av gamla stenar med ett komplex, matematisk modell av det globala klimatsystemet och kolcykeln var imponerande, " han säger.

Ridgwell berömmer huvudslutsatsen av teamets slutliga analys - att en grundläggande förändring av eukaryoter ledde till ett större återmineraliseringsdjup av organiskt material och, i sista hand, ett "fjädrande syresatt" övre hav. "Detta passar perfekt med vår utvecklande förståelse för de viktigaste evolutionära stegen som tagits för att skapa den planet vi har idag, säger Ridgwell, som studerar biogeokemisk modellering och långsiktiga klimatförändringar.

Lee Kump, dekanus vid College of Earth and Mineral Sciences i Penn State, säger att gruppens fynd är en potent påminnelse om hur Darwins evolutionsteori kanske bara är halvrätt. "Förändringar i miljön påverkar biologisk evolution, För att vara säker, men biologisk innovation kan påverka miljön, även på global nivå, säger den berömda paleoklimatologen.

Det är inte slutet på historien, dock. Ros Rickaby, professor i geokemi vid University of Oxford (U.K.), säger att fynden också förstärker kopplingen mellan syresättning och marina djurs kroppsstorlek. "Det är otroligt att tänka att den ökande framgången med mikroskopiskt mineraliserande plankton ute i havet, genom förändringen i syrefördelningen, kunde ha haft så långtgående effekter över hela jordsystemet för att öka den genomsnittliga kroppsstorleken på djur, " säger hon. "Det påminner oss om den invecklade sammankopplingen mellan varje del av det marina ekosystemet."

Tillägger Zunli Lu:"Det är ett utmärkt exempel på samutvecklingen av livet och planeten."