De vroege aarde was een hete, gasvormig, stoffige en dynamische planeet met een atmosfeer en een oceaan. Toen koelde het oppervlak af en stabiliseerde het genoeg voor wolken, landmassa's en het vroege leven dat zich ongeveer vier miljard jaar geleden heeft gevormd, tijdens wat de isotopenleeftijd van gesteenten wordt genoemd, of de Archeïsche periode. Atmosferische chemische bijproducten uit die tijd reisden door de lucht en werden afgezet in het oudste gesteente van de planeet, het vastleggen van de vroegste activiteiten van het leven, zoals fotosynthese en zuurstofproductie.

Zwavelisotopen kunnen dienen als tracers van atmosferische zuurstof, en nieuwe gegevens verzameld uit de huidige atmosfeer in China door een internationaal team van onderzoekers, geleid door de Universiteit van Californië in San Diego, wijzen op opmerkelijke gelijkenis met de isotopische voetafdruk gevonden in oude rotsen. Dit opent nieuwe interpretaties van de sedimentaire signatuur van zwavelisotoop uit de Archeïsche periode - een proxy voor de oorsprong en evolutie van zuurstof in de lucht en het vroege leven op aarde.

Het onderzoek onder leiding van Mark Thiemens, onderscheiden hoogleraar scheikunde en biochemie; Mang Lin, een recente Ph.D. afgestudeerd aan UC San Diego en Yanan Shen, een professor aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, wordt gepubliceerd in het huidige nummer van de Proceedings van de National Academy of Sciences . Hun onderzoek omvatte het nemen van huidige sulfaataerosolmetingen van vijf zwavelisotopen van monsters van atmosferische aerosolen verzameld op Mount Wuyi, een afgelegen locatie in China, en Kanton, een megastad. De isotopenmetingen, uitgevoerd aan UC San Diego en de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, hebben de chemische mechanismen en het transport van atmosferische aerosolen op een nieuw wetenschappelijk niveau opgelost.

"Door de stabiele en radioactieve isotopen te gebruiken, we waren in staat om vandaag nieuwe bronnen van het isotoopeffect te ontdekken en de vroege atmosfeer en evolutie van het leven beter te definiëren, ', aldus Thiemens.

Thiemens legde uit dat in de Archeïsche atmosfeer de zuurstof- en ozonniveaus laag genoeg waren dat ultraviolet (UV) licht het aardoppervlak binnendrong en zwaveldioxide dissocieerde, forensisch een specifiek isotopenpatroon produceren. De studie onthult dat stabiele samenstellingen van zwavelisotopen afwijkende en nabootsende metingen zijn van oude zwavelisotopen.

Aanvullend, Thiemens legde uit dat de fotovernietiging van zwaveldioxide door UV-licht in de vroege atmosfeer van de aarde een maatstaf is voor het zuurstofniveau. Hij zei dat de zuurstof- en ozonniveaus van de vroege aarde voldoende laag waren zodat UV-licht het aardoppervlak bereikte, het dissociëren van het zwaveldioxide en het produceren van de anomalieën.

Meting van zwavelanomalieën in de oudste rotsen als een maat voor zuurstofniveaus werd ontdekt in het Thiemens Research Group-laboratorium aan de UC San Diego met James Farquhar en Huiming Bao. De methode wordt veel gebruikt om zuurstofniveaus te volgen vóór ongeveer 2,2 miljard jaar geleden, toen de zuurstof- en ozonniveaus tot zulke niveaus stegen dat UV-licht werd uitgefilterd en de anomalie verdween uit de rotsplaat.

"Een verrassing van de metingen van Mang Lin was dat met gecombineerde stratosferische tracer Sulphur-35 (een radioactieve zwavelisotoop), en een andere stabiele isotoop van stabiele zwavel, er is geen verband, " zei Thiemens. "Door correlatie met bekende verbrandingsproducten werd aangetoond dat de processen van verbranding en verbranding van biomassa deze specifieke isotopenanomalie produceren, die nog niet eerder bekend was, nieuwe interpretatie van vroege aardse chemie en suggereren dat er andere processen zijn die plaatsvinden in de vroege aarde, zoals vulkanen, dat zou de anomalieën kunnen veroorzaken, samen met fotolyse van UV-licht."

Volgens Thiemens deze studie biedt "nog een koker in de pijl" om processen die plaatsvinden in de vroege aarde te ontleden en zowel de oorsprong als de verandering van het leven te definiëren.