Forskare har länge diskuterat hur mycket molekylärt syre som fanns i jordens tidiga atmosfär. För cirka 2,4 miljarder år sedan, det skedde en ökning av syre som förvandlade jordens atmosfär och biosfär, så småningom gör livet som vårt möjligt. Denna övergång kallas "den stora oxidationshändelsen". Men hur mycket syre fanns i atmosfären före denna tid?

Ett team av forskare, ledd av den tidigare doktoranden Aleisha Johnson vid Arizona State University, har arbetat med att reda ut mysteriet om hur scenen var duktig för det stora oxidationsevenemanget.

Med hjälp av datormodellering, Johnson och hennes team bestämde hur mycket syre som kan ha varit närvarande på jordens yta före den stora oxidationshändelsen - och konsekvenserna för livet på den tidiga jorden.

"Vi andas alla syre, och vi lever alla på den enda planeten som är känd där det är möjligt, " säger Johnson. "Med vår studie, vi är ett steg närmare att förstå hur det hände – hur jorden kunde övergå till, och upprätthålla, en syrerik atmosfär."

Resultaten av deras studie har publicerats i Vetenskapens framsteg .

Det mångåriga pusslet

Geoforskare som studerar jordens stenrekord har hittat till synes motstridiga bevis om jordens tidiga atmosfär. Å ena sidan, "fingeravtrycken" av syre som hittats efter den stora oxidationshändelsen saknas för det mesta före den tiden, vilket ledde till att vissa forskare hävdade att det var frånvarande.

Men nya upptäckter tyder på åtminstone en viss nedbrytning av vanliga mineraler som reagerar kraftigt i närvaro av syre, och åtminstone en del tillförsel till haven av kemiska element som molybden som ackumuleras i floder och hav när syre är närvarande. De motstridiga bevisen skapar ett långvarigt pussel.

"Bevisen verkade motsägelsefulla, men vi visste att det måste finnas en förklaring, sa Johnson, som för närvarande är National Science Foundation-postdoktor vid University of Chicago.

För att hjälpa till att lösa detta pussel, Johnson och hennes team skrev en datormodell som använder vad som är känt om miljökemin hos molybden, reaktioner mellan mineraler och små mängder syre, och mätningar som andra har gjort av molybdenmängder i gamla sedimentära bergarter, för att ta reda på omfattningen av syrenivåer som var möjliga i jordens atmosfär för 2,4 miljarder år sedan.

"Den här datormodellen hjälper oss att kvantifiera hur mycket syre som faktiskt behövs för att producera den kemi som är synlig i bergrekordet, sa Johnson.

Vad teamet fann var att mängden syre som behövdes för att förklara molybdenbevisen var så liten att det inte skulle ha lämnat många andra fingeravtryck.

"Det finns ett gammalt talesätt som säger att "frånvaro av bevis inte är bevis på frånvaro, ", sa studiens medförfattare Ariel Anbar, som är professor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration och School of Molecular Sciences. "Tills nu, våra idéer om att syre var frånvarande före den stora oxidationshändelsen formades mestadels av en frånvaro av bevis. Nu har vi anledning att tro att det fanns där - bara på lägre nivåer än vad som kunde upptäckas tidigare."

Fynden stöder andra bevis som tyder på att syre producerades, möjligen av biologi, långt före den stora oxidationshändelsen. Den där, i tur och ordning, hjälper forskare i deras strävan att ta reda på vilka förändringar i jordens system som orsakade en av de viktigaste omvandlingarna i jordens historia.

"Vår förhoppning är att dessa begränsningar på forntida atmosfäriskt syre hjälper oss att förstå orsaken och naturen av den stora oxidationshändelsen. Men det här handlar inte bara om jordens historia. När vi börjar utforska jordliknande världar som kretsar kring andra stjärnor, vi vill veta om syrerika atmosfärer som vår sannolikt är vanliga eller sällsynta. Så den här forskningen hjälper också till att informera sökandet efter liv på andra planeter än vår egen, sa Johnson.

De ytterligare författarna till denna studie är Chadlin Ostrander från Woods Hole Oceanographic Institution, Stephen Romaniello vid University of Tennessee, Christopher Reinhard från Georgia Institute of Technology, Allison Greaney från Oak Ridge National Laboratory och Timothy Lyons från University of California, Riverside.