För hundratals miljoner år sedan, mitt i vad som så småningom skulle bli Kanadas Yukon -territorium, ett hav virvlade med bepansrade trilobiter, muslingliknande brachiopoder och mjuka, squishy varelser som liknar sniglar och bläckfiskar.

En skara fossiler och berglager som bildats på det gamla havsbotten har nu upptäckts av ett internationellt team av forskare längs floden Peel några hundra mil söder om Arktis Beauforthavet. Upptäckten avslöjar syreförändringar på havsbotten under nästan 120 miljoner år av den tidiga paleozoiska eran, en tid som främjade den snabbaste utvecklingen och diversifieringen av komplexa, multicellulärt liv i jordens historia.

"Det är ovanligt att ha så mycket av jordens historia på ett ställe, "sa Stanford University geologiska forskare Erik Sperling, huvudförfattare till en studie den 7 juli som beskriver teamets resultat i Vetenskapliga framsteg . De flesta bergformationer från den paleozoiska eran har brutits upp av tektoniska krafter eller eroderats med tiden. "Det finns ingen annanstans i världen som jag vet var du kan studera så länge en historia av jordens historia, där det i princip inte förändras saker som vattendjup eller bassängtyp. "

Syre var knappt i djupvattnet i detta och andra hav vid gryningen av Paleozoikum, för ungefär 541 miljoner år sedan. Det förblev knappt till Devon, för ungefär 405 miljoner år sedan, när, i en geologisk blinkning - inte mer än några miljoner år - ökade sannolikt syre till nivåer nära dem i moderna oceaner och livets mångfald exploderade. Stor, rovfisk dök upp. Primitiva ormbunkar och barrträd marscherade över kontinenter som tidigare styrdes av bakterier och alger. Trollsländor tog flyg. Och allt detta efter nästan fyra miljarder år av jordens landskap som var praktiskt taget karga.

Forskare har länge diskuterat vad som kan ha orsakat det dramatiska skiftet från en värld med låg syrehalt till en mer syresatt som skulle kunna stödja en mångsidig väv av djurliv. Men tills nu, det har varit svårt att fastställa tidpunkten för global syresättning eller på lång sikt, bakgrundstillstånd för världens hav och atmosfär under den tid som bevittnade både den så kallade kambriumska explosionen av liv och den första av jordens "Big Five" massutrotningar, för cirka 445 miljoner år sedan i slutet av Ordovicium.

"För att göra jämförelser genom dessa enorma delar av vår historia och förstå långsiktiga trender, du behöver en kontinuerlig post, sa Sperling, en biträdande professor i geologiska vetenskaper vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth).

Kontext för tidigare liv

Med tillstånd från Na Cho Nyak Dun och Tetlit Gwitch'in -samhällen i Yukon, Sperlings lag, som inkluderade forskare från Dartmouth College och Yukon Geological Survey, tillbringade tre somrar på Peel River -webbplatsen. Anländer med helikopter, forskargruppen hackade genom borste med macheter bredvid forsar i klass VI för att samla hundratals näve-stora stenprover från mer än en mil av inbäddade skifferlager, chert och lime mudstone.

Tillbaka på Sperlings laboratorium i Stanford, en liten armé av sommarstuderande och doktorander arbetade över fem somrar för att analysera fossiler och kemikalier som finns i klipporna. "Vi tillbringade mycket tid med att dela öppna stenar och titta på graptolitfossiler, "Sperling sa. Eftersom graptoliter utvecklade ett stort antal igenkännbara kroppsformer relativt snabbt, de pennliknande markeringarna som lämnas av fossilerna i dessa koloniboende havsdjur ger geologer ett sätt att datera stenarna där de finns.

När forskarna väl hade identifierat och daterat graptolitfossil, de grundade klipporna i en kvarn, mätte sedan järn, kol, fosfor och andra element i det resulterande pulvret för att bedöma havsförhållandena på den tid och plats där lagren bildades. De analyserade 837 nya prover från Peel River -webbplatsen, samt 106 nya prover från andra delar av Kanada och 178 prover från hela världen för jämförelse.

Vinnare och förlorare

Data visar låga syrenivåer, eller anoxi, sannolikt kvarstod i världshaven i miljontals år längre än man tidigare trott - långt in i fenerozoikum, när landväxter och tidiga djur började diversifieras. "De tidiga djuren levde fortfarande i en värld med låg syrehalt, "Sperling sa. I motsats till långsiktiga antaganden, forskarna fann att paleozoiska oceaner också var förvånansvärt fria från vätesulfid, ett andningstoxin som ofta finns i de anoxiska regionerna i moderna hav.

När syre så småningom tickade uppåt i marina miljöer, den blev lika stor, mer komplext växtliv tog fart. "Det finns massor av debatt om hur växter påverkade jordsystemet, "Sperling sa." Våra resultat överensstämmer med en hypotes att när växter utvecklades och täckte jorden, de ökade näringsämnen till havet, driver syresättning. "I denna hypotes, tillströmningen av näringsämnen till havet skulle ha gett ett ökat primärproduktivitet, ett mått på hur snabbt växter och alger tar koldioxid och solljus, förvandla dem till ny biomassa - och släpp ut syre i processen.

Förändringen dödade troligen graptoliter. "Även om mer syre är riktigt bra för många organismer, graptoliter förlorade livsmiljön med lågt syre som var deras tillflykt, "Sperling sa." Varje miljöförändring kommer att ha vinnare och förlorare. Graptoliter kan ha varit förlorarna. "