Under mycket av jordens fyra och en halv miljard år, planeten var karg och ogästvänlig; det var inte förrän världen fick sitt täcke av syre som det flercelliga livet verkligen kunde komma igång. Men forskare försöker fortfarande förstå exakt hur - och varför - vår planet fick denna vackert syresatta atmosfär.

"Om du tänker efter, detta är den viktigaste förändringen som vår planet upplevde under sin livstid, och vi är fortfarande inte säkra på exakt hur detta hände, sa Nicolas Dauphas, Louis Block professor i geofysiska vetenskaper vid University of Chicago. "Alla framsteg du kan göra mot att svara på den här frågan är verkligen viktiga."

I en ny studie publicerad 23 oktober in Vetenskap , UChicago doktorand Andy Heard, Dauphas och deras kollegor använde en banbrytande teknik för att avslöja ny information om rollen av oceaniskt järn i uppkomsten av jordens atmosfär. Fynden avslöjar mer om jordens historia, och kan till och med kasta ljus över sökandet efter beboeliga planeter i andra stjärnsystem.

Forskare har mödosamt återskapat en tidslinje för den antika jorden genom att analysera mycket gamla stenar; den kemiska sammansättningen av sådana stenar förändras beroende på de förhållanden de bildades under.

"Det intressanta med det är att före den permanenta Great Oxygenation Event som hände för 2,4 miljarder år sedan, du ser bevis i tidslinjen för dessa lockande små syrgasskurar, där det ser ut som att jorden försökte sätta scenen för denna atmosfär, sade Hört, den första författaren på tidningen. "Men de befintliga metoderna var inte tillräckligt exakta för att reta ut den information vi behövde."

Allt kommer ner till ett pussel.

Som broingenjörer och bilägare vet, om det finns vatten runt omkring, syre och järn kommer att bilda rost. "I de tidiga dagarna, haven var fulla av järn, som kunde ha slukat upp allt fritt syre som hängde runt, " sa Heard. Teoretiskt, bildandet av rost bör förbruka allt överskott av syre, lämnar ingen att bilda en atmosfär.

Heard och Dauphas ville testa ett sätt att förklara hur syre kunde ha ackumulerats trots detta uppenbara problem:de visste att en del av järnet i haven faktiskt kombinerades med svavel som kom ut från vulkaner för att bilda pyrit (bättre känt som dårens guld). Den processen släpper faktiskt ut syre i atmosfären. Frågan var vilken av dessa processer som "vinner".

För att testa detta, Heard använde toppmoderna faciliteter i Dauphas Origins Lab för att utveckla en rigorös ny teknik för att mäta små variationer i järnisotoper för att ta reda på vilken väg järnet tog. Samarbetar med världsexperter vid University of Edinburgh, han var också tvungen att utveckla en mer fullständig förståelse för hur järn-till-pyrit-vägen fungerar. ("För att göra sulfid och köra dessa experiment, du behöver förstående kollegor, för att du får laboratorier att lukta som ruttna ägg, "Hörde sa.) Sedan, forskarna använde tekniken för att analysera 2,6 till 2,3 miljarder år gamla stenar från Australien och Sydafrika.

Deras analys visade att även i hav som borde ha stoppat bort mycket syre till rost, vissa förhållanden kunde ha främjat bildandet av tillräckligt med pyrit för att tillåta syre att fly från vattnet och potentiellt bilda en atmosfär.

"Det är ett komplicerat problem med många rörliga delar, men vi har kunnat lösa en del av det, sa Dauphas.

"Framsteg i ett så enormt problem är verkligen värdefullt för samhället, " Sa Heard. "Särskilt när vi börjar leta efter exoplaneter, vi måste verkligen förstå varje detalj om hur vår egen jord blev beboelig."

När teleskop söker igenom himlen efter andra planeter och hittar tusentals, forskare kommer att behöva begränsa vilka de ska utforska ytterligare för potentiellt liv. Genom att lära sig mer om hur jorden blev beboelig, de kan leta efter bevis på liknande processer på andra planeter.

"Så som jag tycker om att tänka på det är, Jorden före syreuppgången är det bästa laboratorium vi har för att förstå exoplaneter, sa Hörde.