Varken kontinenterna eller haven har alltid sett ut som de gör nu. Dessa "paleomaps" visar hur kontinenterna och haven dök upp före (överst) och under (botten) "kollisionen som förändrade världen, ” när landmassan som nu är den indiska subkontinenten rammade norrut in i Asien, stänga Tethyshavet och bygga Himalaya. De globala havsnivåerna var högre då, skapa salta grunda hav (blekblått) som täckte stora delar av Nordafrika och delar av var och en av kontinenterna. Ett team av Princeton-forskare, med hjälp av prover som samlats in på de tre stjärnmärkta platserna, skapade ett aldrig tidigare skådat rekord av kväve- och syrenivåer i havet från 70 miljoner år sedan till 30 miljoner år sedan som visar på en stor förändring i havskemin efter kollisionen mellan Indien och Asien. En annan förändring kom för 35 miljoner år sedan, när Antarktis började samla is och den globala havsnivån sjönk. Kredit:Bilder skapade av Emma Kast, Princeton Universitet, med paleogeografiska rekonstruktioner från Deep Time Maps, med deras tillåtelse
När landmassan som nu är den indiska subkontinenten smällde in i Asien för cirka 50 miljoner år sedan, kollisionen ändrade kontinenternas konfiguration, landskapet, globalt klimat med mera. Nu har ett team av Princeton University-forskare identifierat ytterligare en effekt:syret i världshaven ökade, förändra förutsättningarna för livet.
"Dessa resultat skiljer sig från allt folk tidigare har sett, sa Emma Kast, en doktorand i geovetenskap och huvudförfattaren på en artikel som kommer ut i Science den 26 april. "Omfattningen av den rekonstruerade förändringen överraskade oss."
Kast använde mikroskopiska snäckskal för att skapa ett register över havets kväve under en period från 70 miljoner år sedan – kort innan dinosauriernas utrotning – fram till 30 miljoner år sedan. Detta rekord är ett enormt bidrag till området globala klimatstudier, sa John Higgins, en docent i geovetenskap vid Princeton och en medförfattare på tidningen.
"Inom vårt område, det finns poster som du ser på som grundläggande, som måste förklaras av någon form av hypotes som vill skapa biogeokemiska kopplingar, " Sa Higgins. "De är få och långt mellan, delvis för att det är väldigt svårt att skapa skivor som går långt tillbaka i tiden. Femtio miljoner år gamla stenar ger inte villigt upp sina hemligheter. Jag skulle verkligen anse Emmas rekord som ett av dessa grundläggande rekord. Från och med nu, människor som vill engagera sig i hur jorden har förändrats under de senaste 70 miljoner åren kommer att behöva engagera sig i Emmas data."
Förutom att vara den vanligaste gasen i atmosfären, kväve är nyckeln till allt liv på jorden. "Jag studerar kväve så att jag kan studera den globala miljön, sa Daniel Sigman, Princetons Dusenbury-professor i geologiska och geofysiska vetenskaper och seniorförfattaren på tidningen. Sigman initierade detta projekt med Higgins och dåvarande Princeton postdoktorn Daniel Stolper, som nu är biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid University of California-Berkeley.
Varje organism på jorden kräver "fast" kväve - ibland kallat "biologiskt tillgängligt kväve". Kväve utgör 78% av vår planets atmosfär, men få organismer kan "fixa" det genom att omvandla gasen till en biologiskt användbar form. I haven, cyanobakterier i ytvatten fixerar kväve för allt annat havsliv. När cyanobakterierna och andra varelser dör och sjunker nedåt, de sönderfaller.
Kväve har två stabila isotoper, 15 N och 14 N. I syrefattiga vatten, sönderdelning använder "fixerat" kväve. Detta sker med en liten preferens för den lättare kväveisotopen, 14 N, så havets 15 N-till- 14 N-förhållandet återspeglar dess syrenivåer.
Det förhållandet är införlivat i små havsdjur som kallas foraminifer under sina liv, och sedan bevaras i sina skal när de dör. Genom att analysera deras fossiler – insamlade av Ocean Drilling Program från Nordatlanten, norra Stilla havet, och South Atlantic—Kast och hennes kollegor kunde rekonstruera 15 N-till- 14 N-förhållandet av det antika havet, och identifierar därför tidigare förändringar i syrenivåer.
Syre kontrollerar distributionen av marina organismer, med syrefattiga vatten som är dåligt för de flesta havsliv. Många tidigare klimatuppvärmningshändelser orsakade minskningar av havets syre som begränsade havsdjurens livsmiljöer, från mikroskopiskt plankton till fiskarna och valarna som livnär sig på dem. Forskare som försöker förutsäga effekterna av nuvarande och framtida global uppvärmning har varnat för att låga nivåer av syre i havet kan decimera marina ekosystem, inklusive viktiga fiskpopulationer.
När forskarna samlade ihop sina oöverträffade geologiska rekord av havskväve, de fann att under 10 miljoner år efter att dinosaurierna dog ut, förhållandet 15N till 14N var högt, vilket tyder på att havets syrenivåer var låga. De trodde först att dåtidens varma klimat var ansvarigt, eftersom syre är mindre lösligt i varmare vatten. Men tidpunkten berättade en annan historia:förändringen till högre syre i havet inträffade för cirka 55 miljoner år sedan, under en tid av konstant varmt klimat.
"Tvärtemot våra första förväntningar, det globala klimatet var inte den primära orsaken till denna förändring i havets syre- och kvävekretslopp, " sa Kast. Den mer sannolika boven? Plåttektonik. Indiens kollision med Asien – kallad "kollisionen som förändrade världen" av den legendariske geovetaren Wally Broecker, en grundare av modern klimatforskning – stängt av ett gammalt hav som kallas Tethys, störa kontinentalsocklarna och deras förbindelser med det öppna havet.
"Under miljontals år, tektoniska förändringar har potential att ha enorma effekter på havscirkulationen, "sa Sigman. Men det betyder inte att klimatförändringar kan diskonteras, han lade till. "På årstider till årtusenden, klimatet har övertaget."
"Kväveisotopbevis för expanderad havssuboxi i tidig kenozoikum, " av Emma R. Kast, Daniel A. Stolper, Alexandra Auderset, John A. Higgins, Haojia Ren, Xingchen T. Wang, Alfredo Martínez-García, Gerald H. Haug och Daniel M. Sigman, visas i numret 26 april av Vetenskap och släpptes online den 25 april.
