Syre i form av syremolekylen (O2), produceras av växter och är livsnödvändiga för djur, är tack och lov rikligt i jordens atmosfär och hav. Forskare som studerar historien om O2 på jorden, dock, vet att det var relativt knappt under stora delar av vår planets 4,6 miljarder år långa existens.

Så när och var började O2 bygga upp på jorden?

Genom att studera gamla stenar, forskare har fastställt att någon gång för mellan 2,5 och 2,3 miljarder år sedan, Jorden genomgick vad forskare kallar "Great Oxidation Event" eller "GOE" för kort. O2 ackumulerades först i jordens atmosfär vid denna tidpunkt och har funnits sedan dess.

Genom många studier inom detta forskningsområde, dock, bevis har dykt upp att det fanns mindre mängder O2 i små områden av jordens forntida grunda hav före GOE. Och i en studie som nyligen publicerades i tidskriften Naturgeovetenskap , ett forskarlag ledd av forskare vid Arizona State University (ASU) har tillhandahållit övertygande bevis för betydande syresättning av havet före GOE, i större skala och till större djup än tidigare känt.

För denna studie, teamet riktade in sig på en uppsättning 2,5 miljarder år gamla marina sedimentära stenar från västra Australien, känd som Mt. McRae Shale. "Dessa stenar var perfekta för vår studie eftersom de tidigare visades ha deponerats under en onormal syresättningsepisod före den stora oxidationshändelsen, " säger huvudförfattaren Chadlin Ostrander från ASU:s School of Earth and Space Exploration.

Skiffer är sedimentära bergarter som var, någon gång i jordens förflutna, avsatt på havsbotten i antika hav. I vissa fall, dessa skiffer innehåller de kemiska fingeravtrycken från de forntida oceaner de deponerades i.

För denna forskning, Ostrander löste upp skifferprover och separerade element av intresse i ett rent labb, mätte sedan isotopsammansättningar på en masspektrometer. Denna process slutfördes med hjälp av medförfattarna Sune Nielsen vid Woods Hole Oceanographic Institution (Massachusetts); Jeremy Owens vid Florida State University; Brian Kendall vid University of Waterloo (Ontario, Kanada); forskarna Gwyneth Gordon och Stephen Romaniello från ASU:s School of Earth and Space Exploration; och Ariel Anbar från ASU:s School of Earth and Space Exploration och School of Molecular Sciences. Datainsamlingen tog över ett år och använde faciliteter vid Woods Hole Oceanographic Institution, Florida State University, och ASU.

Med hjälp av masspektrometrar, teamet mätte tallium- och molybdenisotopsammansättningarna av Mt McRae Shale. Detta var första gången båda isotopsystemen hade mätts i samma uppsättning skifferprover. Som hypotesen, ett förutsägbart tallium- och molybdenisotopmönster uppstod, vilket tyder på att manganoxidmineraler begravdes i havsbotten över stora delar av det antika havet. För att denna begravning ska ske, O2 behövde ha funnits ända ner till havsbotten för 2,5 miljarder år sedan.

Dessa fynd förbättrar forskarnas förståelse av jordens syresättningshistoria. Ackumulering av O2 var troligen inte begränsad till små delar av ythavet före GOE. Mer troligt, O2-ackumulering sträckte sig över stora delar av havet och sträckte sig långt in i havets djup. I vissa av dessa områden, O2-ackumulering verkar till och med ha sträckt sig ända ner till havsbotten.

"Vår upptäckt tvingar oss att ompröva jordens initiala syresättning, ", konstaterar Ostrander. "Många bevis tyder på att O2 började ackumuleras i jordens atmosfär efter cirka 2,5 miljarder år sedan under GOE. Dock, det är nu uppenbart att jordens initiala syresättning är en historia som har sina rötter i havet. O2 ansamlas troligen i jordens hav - till betydande nivåer, enligt våra data – långt innan du gör det i atmosfären."

"Nu när vi vet när och var O2 började byggas upp, nästa fråga är varför", säger ASU:s presidents professor och medförfattare Anbar. "Vi tror att bakterier som producerar O2 frodades i haven långt innan O2 började byggas upp i atmosfären. Vad förändrades för att orsaka den uppbyggnaden? Det är vad vi jobbar med härnäst."