Temperaturen på en planet är kopplad till mångfalden av liv som den kan stödja. MIT -geologer har nu rekonstruerat en tidslinje för jordens temperatur under den tidiga paleozoiska eran, mellan 510 och 440 miljoner år sedan-en avgörande period då djuren blev rikliga i en tidigare mikrobedominerad värld.

I en studie som idag visas i Förfaranden från National Academy of Sciences , forskarna kartlägger fall och toppar i den globala temperaturen under det tidiga paleozoikum. De rapporterar att dessa temperaturvariationer sammanfaller med planetens förändrade mångfald av liv:Varmare klimat gynnade mikrobiellt liv, medan kallare temperaturer tillät fler olika djur att blomstra.

Det nya rekordet, mer detaljerad än tidigare tidslinjer för denna period, är baserat på teamets analys av karbonatslam-en vanlig typ av kalksten som bildas från karbonatrika sediment som deponerats på havsbotten och komprimeras under hundratals miljoner år.

"Nu när vi har visat att du kan använda dessa karbonatslam som klimatrekord, som öppnar dörren till att se tillbaka på hela den här andra delen av jordens historia där det inte finns några fossiler, när människor inte riktigt vet mycket om vad klimatet var, säger huvudförfattaren Sam Goldberg, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och Planetary Sciences (EAPS).

Goldbergs medförfattare är Kristin Bergmann, D. Reid Weedon, Jr. Karriärutvecklingsprofessor i EAPS, tillsammans med Theodore Present av Caltech och Seth Finnegan från University of California i Berkeley.

Bortom fossiler

För att uppskatta jordens temperatur för många miljoner år sedan, forskare analyserar fossil, särskilt, rester av gamla skalade organismer som föll ut från havsvatten och antingen växte på eller sjönk till havsbotten. När nederbörd sker, temperaturen på det omgivande vattnet kan förändra skalens sammansättning, förändring av de relativa mängderna av två syreisotoper:syre-16, och syre-18.

"Som ett exempel, om karbonat fälls ut vid 4 grader Celsius, mer syre-18 hamnar i mineralet, från samma utgångssammansättning av vatten, [jämfört med] karbonat som fäller ut vid 30 grader Celsius, "Bergmann förklarar." Så, förhållandet syre -18 till -16 ökar när temperaturen kyls. "

På det här sättet, forskare har använt gamla karbonatskal för att backa temperaturen på det omgivande havsvattnet - en indikator på jordens övergripande klimat - vid den tidpunkt då skalen föll ut. Men detta tillvägagångssätt har tagit forskare bara så långt, fram till de tidigaste fossilerna.

"Det finns cirka 4 miljarder år av jordens historia där det inte fanns några skal, och så ger skal bara oss det sista kapitlet, "Säger Goldberg.

En hopklumpad isotopsignal

Samma utfällningsreaktion i skal förekommer också i karbonatslam. Men geologer antog att isotopbalansen i karbonatslam skulle vara mer sårbar för kemiska förändringar.

"Folk har ofta förbisett lera. De trodde att om du försöker använda det som en temperaturindikator, du kanske inte tittar på den ursprungliga havstemperaturen där den bildades, men temperaturen på en process som inträffade senare, när leran begravdes en mil under ytan, "Säger Goldberg.

För att se om karbonatslam kan bevara signaturer av deras ursprungliga omgivningstemperatur, laget använde "hopklumpad isotopgeokemi, "en teknik som används i Bergmanns labb, som analyserar sediment för klumpning, eller parning, av två tunga isotoper:syre-18 och kol-13. Sannolikheten för att dessa isotoper kopplas ihop i karbonatslam beror på temperaturen men påverkas inte av den havskemi i vilken lerorna bildas.

Att kombinera denna analys med traditionella syreisotopmätningar ger ytterligare begränsningar för de förhållanden som ett prov upplever mellan dess ursprungliga bildning och nuet. Teamet menade att denna analys kan vara en bra indikation på om karbonatslammar förblev oförändrade i sammansättning sedan de bildades. I förlängningen, detta kan innebära att syre -18 till -16 -förhållandet i vissa leror exakt representerar den ursprungliga temperaturen vid vilken bergarterna bildades, möjliggör användning av dem som klimatrekord.

Upp och nedgångar

Forskarna testade sin idé på prover av karbonatlera som de extraherade från två platser, en på Svalbard, en skärgård i Ishavet, och den andra i västra Newfoundland. Båda platserna är kända för sina utsatta stenar som går tillbaka till den tidiga paleozoiska eran.

2016 och 2017, lag reste först till Svalbard, sedan Newfoundland, att samla in prover av karbonatslam från lager av deponerat sediment som sträcker sig över en period av 70 miljoner år, från mitten av Kambrium, när djur började blomstra på jorden, genom de ordoviciska perioderna under paleozoikum.

När de analyserade proverna för klumpade isotoper, de fann att många av klipporna hade upplevt liten kemisk förändring sedan de bildades. De använde detta resultat för att sammanställa stenarnas syreisotopförhållanden från 10 olika tidiga paleozoiska platser för att beräkna temperaturerna vid vilka bergarterna bildades. Temperaturerna beräknade från de flesta av dessa platser liknade tidigare publicerade fossila temperaturrekord med lägre upplösning. I slutet, de kartlade en tidslinje för temperaturen under den tidiga paleozoiken och jämförde detta med fossilrekorden från den perioden, för att visa att temperaturen hade en stor effekt på mångfalden av liv på planeten.

"Vi fann att när det var varmare i slutet av den kambriumska och tidiga ordovicierna, det var också en topp i mikrobiell överflöd, "Säger Goldberg." Därifrån svalnade det genom att gå in i mitten till sent ordovicium, när vi ser många djurfossiler, innan en betydande istid slutar Ordovicium. Tidigare kunde människor bara observera allmänna trender med hjälp av fossil. Eftersom vi använde ett mycket rikligt material, vi kunde skapa en rekord med högre upplösning och kunde se tydligare definierade upp- och nedgångar. "

Teamet letar nu efter att analysera äldre lera, som går tillbaka innan djur uppträdde, för att mäta jordens temperaturförändringar före 540 miljoner år sedan.

"För att gå tillbaka bortom 540 miljoner år sedan, vi måste kämpa med karbonatslam, eftersom de verkligen är en av få rekord vi har för att begränsa klimatet i det avlägsna förflutna, Säger Bergmann.