Det är välkänt att livet på jorden och planetens geologi är sammanflätade, men en ny studie ger färska bevis för hur djupt - bokstavligen - den kopplingen går. Geovetenskapare vid Caltech och UC Berkeley har identifierat en kemisk signatur i vulkaniska bergarter som registrerar början av syresättning av jordens djupa hav - en signal som lyckades överleva mantelugnen. Denna syresättning är av stort intresse, som det inledde den moderna eran med höga atmosfäriska och oceaniska syrenivåer, och tros ha möjliggjort diversifiering av livet i havet.

Deras fynd, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Science den 11 april, stödja en ledande teori om öbågsmagas geokemi och erbjuda ett sällsynt exempel på biologiska processer på planetens yta som påverkar den inre jorden.

Öbågar bildas när en oceanisk tektonisk platta glider under en annan i en process som kallas subduktion. Subduktionsplattan sjunker och släpper ut vattenrika vätskor i den överliggande manteln, får det att smälta och producera magmas som slutligen stiger upp till jordens yta. Denna process bygger öbågsvulkaner som de som finns idag på de japanska öarna och på andra håll i Pacific Ring of Fire. Så småningom, genom platttektonik, öbågar kolliderar med och införlivas i kontinenter, bevara dem i bergskivan över geologisk tid.

Den mest förekommande magmatiska, eller stötande, stenar är basalter-mörkfärgade och finkorniga stenar som vanligtvis förekommer i lavaströmmar. De flesta basalter på jorden idag bildas inte vid öbågar utan snarare vid mitten av havet åsar djupt under vattnet. En välkänd skillnad mellan de två är att ö-båge basalter är mer oxiderade än de som finns vid mid-ocean åsar.

En ledande men omdebatterad hypotes för denna skillnad är att oceanisk skorpa oxideras av syre och sulfat i djuphavet innan den subduceras i manteln, leverera oxiderat material till mantelkällan för öbågar ovanför subduktionszonen.

Men jorden tros inte alltid ha haft en syresatt atmosfär och ett djupt hav. Snarare, forskare tror, uppkomsten av syre - och därmed planetens förmåga att upprätthålla aerobt liv - skedde i två steg. Den första händelsen, som ägde rum för ungefär 2,3 till 2,4 miljarder år sedan, resulterat i mer än 100, 000-faldig ökning av atmosfäriskt O2 i atmosfären, till cirka 1 procent av moderna nivåer.

Även om det var dramatiskt högre än det tidigare varit, den atmosfäriska O2 -koncentrationen vid denna tidpunkt var fortfarande för låg för att syresätta djuphavet, som antas ha förblivit anoxiska tills för omkring 400 till 800 miljoner år sedan. Vid den tiden, atmosfäriska O2 -koncentrationer tros ha ökat till 10 till 50 procent av moderna nivåer. Det andra hoppet har föreslagits för att ha tillåtit syre att cirkulera till djuphavet.

"Om anledningen till att moderna öbågar är ganska oxiderade beror på närvaron av upplöst syre och sulfat i djuphavet, då sätter det upp en intressant potentiell förutsägelse, "säger Daniel Stolper (Caltech Ph.D. '14), en av författarna till tidningen och en biträdande professor i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley. "Vi vet ungefär när de djupa oceanerna blev syresatta och därmed, om denna idé stämmer, man kan se en förändring i hur oxiderade gamla ö -bågstenar var före kontra efter denna syresättning. "

För att söka efter signalen från denna syresättningshändelse i ö -bågformiga bergarter, Stolper samarbetade med Caltech biträdande professor i geologi Claire Bucholz, som studerar moderna och gamla bågmagmatiska stenar. Stolper och Bucholz kammade igenom publicerade register över gamla öbågar och sammanställde geokemiska mätningar som avslöjade oxidationstillståndet för bågberg som bröt ut för tiotals miljoner till miljarder år sedan. Deras idé var enkel:om oxiderat material från ytan subduceras och oxiderar mantelregionerna som kommer från ö -bågstenar, då borde gamla ö -bågstenar vara mindre oxiderade (och därmed mer "reducerade") än deras moderna motsvarigheter.

"Det är inte lika vanligt längre, men forskare brukade rutinmässigt kvantifiera oxidationstillståndet för järn i sina bergprover, "Säger Bucholz." Så det fanns en mängd data som bara väntade på att bli omprövad. "

Deras analys avslöjade en tydlig signatur:en påvisbar ökning av oxiderat järn i bulk-stenprover mellan 800 och 400 miljoner år sedan, samma tidsintervall som oberoende studier föreslog syresättningen av djuphavet inträffade. För att vara noggrann, forskarna undersökte också andra möjliga förklaringar till signalen. Till exempel, man antar vanligen att oxidationstillståndet för järn i bulkstenar kan äventyras av metamorfa processer - uppvärmning och komprimering av stenar - eller av processer som förändrar dem vid eller nära jordens yta. Bucholz och Stolper konstruerade en mängd olika tester för att avgöra om sådana processer hade påverkat posten. Någon förändring inträffade nästan säkert, Bucholz säger, men ändringarna är konsekventa överallt där prover togs. "Mängden oxiderat järn i proverna kan ha ändrats efter kylning och stelning, men det verkar ha flyttats på ett liknande sätt mellan alla prover, " hon säger.

Stolper och Bucholz sammanställde dessutom en annan fullmakt som också tänkt återspegla oxidationstillståndet för mantelkällan för ljusbågsmas. Lugnande, denna oberoende rekord gav liknande resultat som järnoxidationstillståndet. Baserat på det här, forskarna föreslår att syresättningen i djuphavet inte bara påverkade jordens yta och hav utan också förändrade geokemin för en stor klass av magartiga bergarter.

Detta arbete kompletterar tidigare forskning från Bucholz som undersöker förändringar i oxidationssignaturerna för mineraler i magartiga bergarter i samband med den första syresättningshändelsen för 2,3 miljarder år sedan. Hon samlade sedimentär typ, eller S-typ, graniter, som bildas vid begravning och uppvärmning av sediment vid kollision mellan två landmassor - t.ex. i Himalaya, där den indiska subkontinenten kolliderar med Asien.

"Graniterna representerar smälta sediment som deponerades på jordens yta. Jag ville testa tanken att sediment fortfarande kan registrera den första ökningen av syre på jorden, trots att de har värmts upp och smälts för att skapa granit, "säger hon." Och faktiskt, det gör det."

Båda studierna talar om det starka sambandet mellan jordens geologi och det liv som frodas på den, hon säger. "Planets utveckling och livet på den är sammanflätade. Vi kan inte förstå det ena utan att förstå det andra, säger Bucholz.

De PNAS studien har titeln "Neoproterozoisk till tidig fenerozoisk ökning av öbågsredoxtillstånd på grund av djup havssyresättning och ökade marina sulfatnivåer."