Ny forskning tyder starkt på att de distinkta "syresättningshändelser" som skapade jordens andningsbara atmosfär inträffade spontant, snarare än att vara en konsekvens av biologiska eller tektoniska revolutioner.

University of Leeds studie, publiceras i tidskriften Vetenskap , inte bara lyser upp historien om syre på vår planet, den ger ny insikt om förekomsten av andra syresatta världar än vår egen.

Den tidiga jorden hade inget syre i sin atmosfär eller hav förrän för ungefär 2,4 miljarder år sedan när den första av tre stora syresättningshändelser inträffade. Orsakerna till dessa "stegvisa" ökningar av syre på jorden har varit föremål för pågående vetenskaplig debatt.

I en ny studie, Leeds-forskare modifierade en väletablerad konceptuell modell av marin biogeokemi så att den kunde köras över hela jordens historia, och fann att den producerade de tre syresättningshändelserna helt av sig själv.

Deras resultat tyder på att bortom tidiga fotosyntetiska mikrober och initieringen av plattektonik - som båda etablerades för cirka tre miljarder år sedan - var det helt enkelt en tidsfråga innan syre skulle nå den nödvändiga nivån för att stödja komplext liv.

Denna nya teori ökar drastiskt möjligheten att världar med hög syrehalt existerar någon annanstans.

Studiens huvudförfattare Lewis Alcott, en doktorandforskare vid School of Earth and Environment i Leeds, sa:"Denna forskning testar verkligen vår förståelse av hur jorden blev syrerik, och blev därmed i stånd att stödja intelligent liv.

"Baserat på detta arbete, det verkar som om syresatta planeter kan vara mycket vanligare än man tidigare trott, eftersom de inte kräver flera – och mycket osannolika – biologiska framsteg, eller slumpmässiga händelser av tektonik."

Den första "stora oxidationshändelsen" inträffade under den paleoproterozoiska eran - för ungefär 2,4 miljarder år sedan. De efterföljande syresättningshändelserna i grossistledet inträffade i den neoproterozoiska eran för omkring 800 miljoner år sedan och slutligen i den paleozoiska eran för ungefär 450 miljoner år sedan, när atmosfärens syre steg till dagens nivåer.

Stora djur med höga energibehov kräver höga nivåer av syre, och utvecklades kort efter det sista av dessa steg, i slutändan utvecklas till dinosaurier och däggdjur.

För närvarande, de två rådande teorierna antyder att drivkrafterna bakom dessa syresättningshändelser var antingen stora steg i biologiska revolutioner – där utvecklingen av progressivt mer komplexa livsformer i huvudsak "biokonstruerade" syresättning till högre nivåer – eller tektoniska revolutioner – där syre steg på grund av förändringar i stil med vulkanism eller sammansättning av skorpan.

Den nya studien lyfter istället fram en uppsättning återkopplingar som finns mellan den globala fosforn, kol- och syrekretslopp, som är kapabla att driva snabba förändringar i havets och atmosfärens syrenivåer utan att kräva någon "stegvis" förändring i varken tektonik eller biologi.

Studiens medförfattare professor Simon Poulton, också från School of Earth and Environment i Leeds sa:"Vår modell tyder på att syresättning av jorden till en nivå som kan upprätthålla komplext liv var oundviklig, när mikroberna som producerar syre hade utvecklats."

Deras "jordsystem"-modell av återkopplingarna reproducerar det observerade trestegssyresättningsmönstret när det enbart drivs av en gradvis förskjutning från reducerande till oxiderande ytförhållanden över tiden. Övergångarna drivs av hur den marina fosforcykeln reagerar på ändrade syrenivåer, och hur detta påverkar fotosyntesen, som kräver fosfor.

Senior författare Dr Benjamin Mills, som leder den biogeokemiska modelleringsgruppen i Leeds, sade:"Modellen visar att en gradvis syresättning av jordens yta över tid bör resultera i distinkta syresättningshändelser i atmosfären och haven, jämförbara med de som ses i det geologiska arkivet.

"Vårt arbete visar att förhållandet mellan det globala fosforet, kol- och syrecykler är grundläggande för att förstå jordens syresättningshistoria. Detta kan hjälpa oss att bättre förstå hur en annan planet än vår egen kan bli beboelig."

Uppsatsen "Stepwise Earth oxygenation is an inherent property of global biogeochemical cycling" publiceras online i Vetenskap den 10 december 2019.