Ny forskning som leds av University of St Andrews hjälper till att svara på en av de vanligaste frågorna inom geovetenskap, när började jorden bli beboelig för komplexa liv?

Forskningen, ledd av School of Earth and Environmental Sciences, och publiceras i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) behandlar idag detta genom att definiera vilket som kom först, den stora oxidationshändelsen (GOE) eller den paleoproterozoiska snöbollens jordperiod. Den relativa tidpunkten för dessa globala händelser är avgörande för att förstå förändringar i atmosfärisk sammansättning och klimatförhållanden, och hur de första tecknen på liv på jorden började.

Tidigt i jordens historia saknade atmosfären syre och skulle som sådan ha varit fientlig mot mycket av det liv som täcker planeten idag. I över ett halvt sekel, geovetare har försökt att precisera exakt när atmosfäriska syrenivåer började stiga och därmed tillåta jorden att bli mer beboelig för komplexa, flercelligt liv. Vetenskaplig samsyn har varit att den första anmärkningsvärda ökningen av syre inträffade under Great Oxidation Event (GOE), någon gång mellan 2,4 och 2,3 miljarder år sedan.

Tillhörande denna GOE, stenar från Kanada, Sydafrika, Ryssland och på andra håll visar att en stor global isbildning ägde rum. Geologiska bevis tyder på att inlandsisar sträckte sig till tropikerna i vad som har kallats en "snowball Earth" -händelse. Vad som har förblivit oklart är den relativa tidpunkten för dessa händelser.

Forskargruppen fokuserade på att definiera tidpunkten för GOE genom att undersöka en uppsättning borrkärnor från nordvästra Ryssland (Fennoscandia), samlade som en del av det internationella FAR-DEEP borrprogrammet. Forskarna studerade två bergformationer, den äldre Seidorechka sedimentära formationen och den yngre sedimentära formationen Polisarka.

Teamet genomförde svavelisotopanalys för att avgöra vad syrehalten i atmosfären sannolikt skulle ha varit vid den tidpunkt då varje bergsuppsättning deponerades. Detta krävde utveckling av en ny analytisk teknik som kan analysera, med hög precision, alla fyra stabila isotoper av svavel. Som ett resultat, University of St Andrews har nu det enda laboratoriet i Storbritannien med denna förmåga och bara det andra labbet i världen för att utveckla just denna metod.

Förändringar i de relativa mängderna av varje svavelisotop i proverna gjorde att laget kunde identifiera om svavelisotoperna i dessa bergarter följer ett förutsägbart förhållande, massberoende fraktionering eller MDF, eller om de inte följer ett förutsägbart förhållande, indikerar massoberoende fraktionering eller MIF. Det är endast möjligt att producera och bevara svavel -MIF i en atmosfär som saknar betydande syre; när syrenivåerna stiger, svavel MDF tar över. Därför, en vanlig markör för GOE är denna övergång från MIF till MDF i rockrekordet.

Analysen fann att den äldre Seidorechka Sedimentary Formation bevarar svavel MIF men den yngre Polisarka Sedimentary Formation bevarar svavel MDF -förhållanden. Det betyder att GOE inträffade någon gång mellan avsättningen av dessa två bergsarv. Med tidigare publicerade åldersbegränsningar, forskarna drog slutsatsen att GOE måste ha inträffat mellan 2,50 och 2,43 miljarder år sedan. Detta är en äldre ålder för GOE som tidigare antogs ha inträffat för 2,48 till 2,39 miljarder år sedan och begränsar en smalare, cirka 70 miljoner års tidsintervall där det kunde ha inträffat.

Ledande forskare, Dr Matthew Warke, från School of Earth and Environmental Sciences, sade:"Vår forskning tillåter oss att slutgiltigt säga att GOE föregick den tidigaste snöbollsjordglaciationen i historien eftersom den sistnämnda tros ha inträffat för cirka 2,42 miljarder år sedan. Detta ökar möjligheten att syrgasstegring i jordens atmosfär under GOE kan ha utlöst en av de allvarligaste glaciationer som planeten någonsin upplevt.

"En möjlig mekanism genom vilken detta kan ha hänt, som överensstämmer med våra resultat och nuvarande tänkande, är att stigande syrehalter i atmosfären kan ha kritiskt destabiliserat ett metandominerat växthus som orsakat att yttemperaturen sjunker snabbt. Andra mekanismer kan ha fungerat, men avgörande utesluter våra resultat alla mekanismer som åberopar att snöbollens isbildning inträffade före GOE, lösa ett av de mest långvariga "kyckling- eller ägg" -problemen i jordens historia. "