Forskare har länge trott att syre dök upp i jordens lägre atmosfär för 2,7 miljarder år sedan, gör livet som vi känner det möjligt. En forskare från Rice University har lagt till bevis för att stödja den siffran.

Svavelrekordet som hölls av forntida sten markerar den dramatiska förändringen i planetens atmosfär som gav upphov till komplext liv, men stenar är lokala indikatorer. För den stora bilden, Risbiogeokemisten Mark Torres använde vatten som rinner över och eroderar stenarna som en proxy.

Torres, en risassistent professor i jorden, miljö- och planetvetenskap, och hans kollegor rapporterar in Naturgeovetenskap att balansen mellan svavelisotopanomalier i arkeisk bergart, en markör för den "stora syresättningshändelsen, " kan också kännas igen och mätas i floderna som eroderar den.

Forskarna tog prov på vatten från två av få platser på jorden där arkeisk sten exponeras i överflöd:vid Superior Craton i Kanada och i Sydafrika. De fastställde att även om enskilda prover av sten fortfarande kan visa en obalans (anomalierna) av svavelisotoper, noggrann analys av vattnet som diffunderar och transporterar svavel från tusentals miles av sten till havet visar att innehållet i slutändan är i linje med bulkjordens svavelsignatur.

"Förändringar i kemin kan säga dig något om miljön, och stenar kan berätta om det fanns syre vid en viss tidpunkt, " sa Torres. "Tidigt i vår historia, svavelisotopavvikelser finns överallt. Sedan, för ungefär 2,7 miljarder år sedan, de försvinner och de kommer aldrig tillbaka."

Svavel är en markör eftersom fyra stabila isotoper, kända av sina molekylära massor på 32, 33, 34 och 36, kan visa olika beteenden när de finns i atmosfären. "Mest svavel är massa 32, men det finns små mängder av de andra massorna, sa Torres.

Ultraviolett ljus från solen reagerade med svavelgas och delade upp den i separata föreningar med tyngre och lättare isotoper. Så småningom, dessa föreningar sjönk in i och förblir i sten som bildades vid den tiden.

"Men det finns en konstig sak:riktigt gamla stenar har mer 33-svavel i sig än vi skulle förvänta oss, baserat på de relativa massorna, " sa Torres. "Eftersom 33 är en tyngre än 32, vi borde lätt kunna förutsäga deras relativa överflöd med hjälp av fysikalisk kemi. Men, vi finner att 33 är mycket mer rikligt än förväntat. Det är därför vi kallar det en anomali."

När syre dök upp, det absorberade ultraviolett ljus och släckte svavelreaktionen, som man ser i berget. Det är väl och bra, Torres sa, men teorin redogör inte för onormalt svavel som fortsatte att läcka från arkeisk sten till ytvatten, transporteras till havet och sedan kondenseras till ny sten som också skulle ha anomali.

"Denna återvinning av forntida sten var ett sätt att vidmakthålla anomali även efter att syre hade uppstått, " sa han. Forskarna misstänkte att avvikelsens varaktighet kunde sudda ut förståelsen för tidpunkten för syreökningen med så mycket som 100 miljoner år.

Det gjorde det inte, de upptäckte, men det var inte lätt. Teamet inkluderade forskare från California Institute of Technology och Center for Petrographic and Geochemical Research i Nancy, Frankrike. Medlemmar samlade in mängder av prover från de kanadensiska platserna för att gå med i sydafrikanska prover de redan hade och kontrollerade deras svavelsignatur efter att ha eliminerat effekterna av föroreningar från svavelhaltigt surt regn, issmältande vägsalt och damm från lokal gruvdrift. Men deras slutliga beräkningar visade en robust balans i 33-svavel som samlats upp av flodavrinning över ett brett område.

"Vår ansträngning gör att vi kan vara säkra på att vi har tidpunkten för denna fantastiska oxidationshändelse, så nu kan vi börja förstå mekanismerna, " sa Torres. "Om du tänker på hela omfattningen av jordens historia, 100 miljoner år är litet, men på organismernas evolutionära tidslinje, det spelar roll."