Ett prov av gammalt syre, retad ur en 1,4 miljarder år gammal avdunstningssjöfyndighet i Ontario, ger nya bevis på hur jordens atmosfär och biosfär såg ut under intervallet som ledde fram till uppkomsten av djurliv.

Resultaten, publiceras i tidskriften Natur , representerar den äldsta mätningen av atmosfäriska syreisotoper med nästan en miljard år. Resultaten stödjer tidigare forskning som tyder på att syrenivåerna i luften under denna tid i jordens historia var en liten bråkdel av vad de är idag på grund av en mycket mindre produktiv biosfär.

"Det har föreslagits i många decennier nu att atmosfärens sammansättning har varierat avsevärt över tiden, säger Peter Crockford, som ledde studien som doktorand student vid McGill University. "Vi ger entydiga bevis för att det verkligen var mycket annorlunda för 1,4 miljarder år sedan."

Studien ger den äldsta mätaren hittills av vad jordforskare refererar till som "primärproduktion, " där mikroorganismer i basen av näringskedjan - alger, cyanobakterier, och liknande — producera organiskt material från koldioxid och hälla syre i luften.

En mindre biosfär

"Denna studie visar att primärproduktionen för 1,4 miljarder år sedan var mycket mindre än idag, " säger senior medförfattare Boswell Wing, som hjälpte till att övervaka Crockfords arbete på McGill. "Detta betyder att storleken på den globala biosfären måste vara mindre, och sannolikt bara inte gav tillräckligt med mat – organiskt kol – för att stödja en massa komplext makroskopiskt liv, säger Wing, nu docent i geologiska vetenskaper vid University of Colorado i Boulder.

För att komma fram till dessa fynd, Crockford slog sig ihop med kollegor från Yale University, University of California Riverside, och Lakehead University i Thunder Bay, Ontario, som hade samlat orörda prover av gamla salter, kallas sulfater, finns i en sedimentär bergsformation norr om Lake Superior. Crockford skickade proverna till Louisiana State University, där han arbetade nära med medförfattarna Huiming Bao, Justin Hayles, och Yongbo Peng, vars labb är ett av en handfull i världen som använder en specialiserad masspektrometriteknik som kan undersöka sådana material för sällsynta syreisotoper i sulfater.

Arbetet kastar också nytt ljus över en del av jordens historia som kallas "den tråkiga miljarden" eftersom det gav liten uppenbar biologisk eller miljömässig förändring.

"Dämpad primär produktivitet under mitten av den proterozoiska eran - för ungefär 2 miljarder till 800 miljoner år sedan - har länge antytts, men inga hårda data hade genererats för att ge starkt stöd till denna idé, " noterar Galen Halverson, en medförfattare till studien och docent i jord- och planetvetenskaper vid McGill. "Det lämnade möjligheten öppen att det fanns en annan förklaring till varför det mellersta Proterozoiska havet var så ointressant, när det gäller produktion och avsättning av organiskt kol." Crockfords data "ger direkta bevis för att denna tråkiga kolcykel berodde på låg primär produktivitet."

Exoplanet ledtrådar

Fynden kan också hjälpa till att informera astronomers sökande efter liv utanför vårt eget solsystem.

"Under större delen av jordens historia var vår planet befolkad med mikrober, och projicera in i framtiden kommer de sannolikt att vara planetens förvaltare långt efter att vi är borta, " säger Crockford, nu postdoktor vid Princeton University och Israels Weizmann Institute of Science. "Att förstå miljöerna de formar informerar oss inte bara om vårt eget förflutna och hur vi kom hit, men ger också ledtrådar till vad vi kan hitta om vi upptäcker en bebodd exoplanet."