Forntida skogsbränder spelade en avgörande roll för bildandet och spridningen av gräsmarker som de som nu täcker stora delar av jorden, enligt forskare vid Penn State och Smithsonian National Museum of Natural History.

En ny studie kopplar samman en stor ökning av skogsbränder för nästan 10 miljoner år sedan, i slutet av Miocene, med en stor förändring av vegetationen på land, som indikeras av kolisotoper av växtbiomarkörer som finns i fossilregistret. Frekvent, säsongsbränder hjälpte till att göra skogsområden till öppna landskap, och drev utbyggnaden av gräsmarker, sa forskarna.

Teamet utvecklade ett innovativt tillvägagångssätt för att testa eldens roll i uppkomsten av tidiga gräsmarker. De analyserade spårämnen av gamla blad och av bränt organiskt material som lämnats kvar i paleosoler, eller fossil jord, i norra Pakistan.

"Verktygen vi använder är molekyler och biomarkörer som produceras av organismer i jordens historia och bevaras i stenar, "sa Allison Karp, en doktorand i geovetenskap vid Penn State och huvudförfattare på pappret. "Vi kan använda dessa som ledtrådar för att ta reda på vad som hände med klimat och ekologi tidigare."

Den nya tekniken har breda konsekvenser som ett verktyg för forskare som vill svara på frågor om tidigare växtlighet och klimatförändringar, sa forskaren.

Detta visar att verktyget kan identifiera platsen för en brand där den uppstod, enligt Karp. "I en paleosolskiva tar du verkligen en integrerad bild av vad som hände när jorden bildades, " Hon sa.

Forskarna rapporterade nyligen sina fynd i Förfaranden från National Academy of Sciences . Katherine Freeman, Evan Pugh universitetsprofessor i geovetenskap vid Penn State och Karps rådgivare, är medförfattare på tidningen.

"Detta är en av de största ekologiska förändringarna under de senaste 66 miljoner åren, "sa Karp." Inga av de öppna gräsmarkssystem vi har idag fanns före denna övergång. Det var en väldigt annorlunda värld, särskilt på subtropiska platser som Pakistan. "

Forskare har länge studerat ökningen av C4 gräsmarker, uppkallad efter växter som utvecklat ett nytt sätt att hantera fotosyntes som gör att de kan trivas i torrt, tropiska förhållanden och med lägre mängder koldioxid. Dessa växter inkluderar moderna grödor som majs och sockerrör.

En minskning av de globala koldioxidhalterna trodde man en gång ligga bakom ökningen av C4 -gräsmarker. Nyare forskning har visat att gräset sprider sig i olika takt på olika kontinenter, som anger att regionala faktorer, som regnmönster - och eventuellt eld - spelade viktiga roller. Men det hade funnits få direkta bevis som kopplade en ökning av skogsbränder till denna övergång.

"Vi var intresserade av att rekonstruera eld och utvidgning av gräsmarker i samma geologiska rekord för att se om vi kunde hitta proxybevis för den roll som elden spelade, "Karp sa." Vi har nu en bra rad observationsbevis att jämföra med vad modellerna har sagt. "

Karp och hennes medarbetare använde polycykliska aromatiska kolväten (PAH), finns i paleosoler, som brandombud. PAH är kemikalier som skapas genom förbränning av organiskt material som trä och växter. De finns också naturligt i kol och råolja.

PAHs femfaldigades över studieområdet medan bevis på barrträd minskade och slutligen försvann. Det kraftigt skogbevuxna landskapet öppnade sig i två etapper. För cirka 10 miljoner år sedan, skogar ersattes av mer eldbenägna, öppna skogsmarker eller gräsmarker, och mellan sex och åtta miljoner år sedan, C4 gräsmarker blev dominerande precis som mängden brandsignaturer ökade kraftigt.

Modern brandekologi kan förklara processen. Gräs växer snabbare än träd efter en brand och de hjälper också till att skapa förhållanden mogna för efterföljande bränder, främja öppna landskap. I slutet av Miocene, våta årstider som orsakats av monsunförhållanden uppmuntrade växternas tillväxt, vilket i sin tur skapade mer bränsle för bränder under heta, torra årstider i Pakistan.

"Eldens roll i expansionen och utvecklingen av gräsmarksystem på djup tid är viktig eftersom förståelsen för hur eld har underhållit system tidigare kan hjälpa oss att förutsäga vad som kan hända med dessa viktiga system i framtiden när klimatet fortsätter att förändras, "Sa Karp.

Den nya brandmarkörstrategin kan användas för att undersöka landskapsinteraktioner mellan eld och vegetation för andra geografiska regioner och klimatövergångar, som glacial-interglaciala övergångar eller katastrofala klimatförändringar, sa forskare.