Honderden miljoenen jaren geleden, midden in wat uiteindelijk het Canadese Yukon Territory zou worden, een oceaan wervelend met gepantserde trilobieten, clam-achtige brachiopoden en zacht, squishy wezens verwant aan slakken en inktvissen.

Een groot aantal fossielen en gesteentelagen gevormd op die oude oceaanbodem is nu opgegraven door een internationaal team van wetenschappers langs de oevers van de Peel-rivier, een paar honderd mijl ten zuiden van de Beaufortzee in de Noordelijke IJszee. De ontdekking onthult zuurstofveranderingen op de zeebodem gedurende bijna 120 miljoen jaar van het vroege Paleozoïcum, een tijd die de snelste ontwikkeling en diversificatie van complexe, meercellig leven in de geschiedenis van de aarde.

"Het is ongehoord om zoveel van de geschiedenis van de aarde op één plek te hebben, " zei de geologische wetenschapper Erik Sperling van Stanford University, hoofdauteur van een onderzoek van 7 juli waarin de bevindingen van het team in detail worden beschreven wetenschappelijke vooruitgang . De meeste rotsformaties uit het Paleozoïcum zijn door tektonische krachten gebroken of in de loop van de tijd geërodeerd. "Ik ken nergens anders ter wereld waar je zo'n lange geschiedenis van de aarde kunt bestuderen, waar er in principe geen verandering is in zaken als waterdiepte of bassintype."

Zuurstof was schaars in het diepe water van deze en andere oceanen bij het aanbreken van het Paleozoïcum, ongeveer 541 miljoen jaar geleden. Het bleef schaars tot het Devoon, ongeveer 405 miljoen jaar geleden, wanneer, in een geologisch oogwenk - niet meer dan een paar miljoen jaar - schoot zuurstof waarschijnlijk omhoog naar niveaus in de buurt van die in moderne oceanen en explodeerde de diversiteit van het leven op aarde. Groot, roofvissen verschenen. Primitieve varens en coniferen marcheerden over continenten die voorheen werden geregeerd door bacteriën en algen. Libellen namen de vlucht. En dit alles nadat de landschappen van de aarde bijna vier miljard jaar vrijwel onvruchtbaar waren.

Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over wat de dramatische verschuiving van een zuurstofarme wereld naar een meer zuurstofrijke wereld zou kunnen hebben veroorzaakt die een divers web van dierenleven zou kunnen ondersteunen. Maar tot nu toe, het was moeilijk om de timing van de wereldwijde oxygenatie of de lange termijn vast te stellen, achtergrondtoestand van de oceanen en atmosfeer van de wereld tijdens het tijdperk dat zowel getuige was van de zogenaamde Cambrische explosie van leven als de eerste van de "Big Five" massale uitstervingen van de aarde, ongeveer 445 miljoen jaar geleden aan het einde van het Ordovicium.

"Om vergelijkingen te maken in deze enorme delen van onze geschiedenis en langetermijntrends te begrijpen, je hebt een continu record nodig, " zei Sperling, een assistent-professor geologische wetenschappen aan Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

Context voor vorig leven

Met toestemming van de Na Cho Nyak Dun en Tetlit Gwitch'in gemeenschappen in Yukon, Het Sperling-team, waaronder onderzoekers van Dartmouth College en de Yukon Geological Survey, bracht drie zomers door op de Peel River-site. Aangekomen per helikopter, het onderzoeksteam hakte met kapmessen langs stroomversnellingen van klasse VI om honderden vuistgrote rotsmonsters te verzamelen uit meer dan een mijl tussenliggende schalielagen, hoornkiezel en kalkmoddersteen.

Terug in Sperling's lab in Stanford, een klein leger van zomerstudenten en -studenten werkte vijf zomers om de fossielen en chemicaliën die in de rotsen waren begraven, te helpen analyseren. "We brachten veel tijd door met het splijten van open rotsen en het bekijken van fossielen van graptoliet, " zei Sperling. Omdat graptolieten relatief snel een breed scala aan herkenbare lichaamsvormen ontwikkelden, de potloodachtige markeringen achtergelaten door de fossielen van deze in kolonies levende zeedieren geven geologen een manier om de rotsen waarin ze worden gevonden te dateren.

Toen de onderzoekers klaar waren met het identificeren en dateren van fossielen van graptoliet, ze maalden de rotsen in een molen, dan gemeten ijzer, koolstof, fosfor en andere elementen in het resulterende poeder om de oceaanomstandigheden te beoordelen op het moment en de plaats waar de lagen zich vormden. Ze analyseerden 837 nieuwe monsters van de Peel River-site, evenals 106 nieuwe monsters uit andere delen van Canada en 178 monsters uit de hele wereld ter vergelijking.

Winnaars en verliezers

De gegevens tonen lage zuurstofniveaus, of anoxie, bleef waarschijnlijk miljoenen jaren langer in de oceanen van de wereld dan eerder werd gedacht - tot ver in het Phanerozoïcum, toen landplanten en vroege dieren begonnen te diversifiëren. "De vroege dieren leefden nog in een zuurstofarme wereld, " zei Sperling. In tegenstelling tot lang gekoesterde veronderstellingen, de wetenschappers ontdekten dat de Paleozoïsche oceanen ook verrassend vrij waren van waterstofsulfide, een respiratoir toxine dat vaak wordt aangetroffen in de anoxische gebieden van moderne oceanen.

Toen zuurstof uiteindelijk toch omhoog tikte in mariene omgevingen, het werd net zo groter, het complexere plantenleven nam een ​​vlucht. "Er is veel discussie over de invloed van planten op het aardsysteem, " zei Sperling. "Onze resultaten zijn consistent met de hypothese dat naarmate planten evolueerden en de aarde bedekten, ze verhoogden voedingsstoffen naar de oceaan, het stimuleren van oxygenatie." In deze hypothese, de toestroom van nutriënten naar de zee zou de primaire productiviteit een boost hebben gegeven, een maat voor hoe snel planten en algen koolstofdioxide en zonlicht opnemen, zet ze om in nieuwe biomassa - en laat daarbij zuurstof vrij.

De verandering heeft waarschijnlijk graptolieten gedood. "Hoewel meer zuurstof echt goed is voor veel organismen, graptolieten verloren de zuurstofarme habitat die hun toevluchtsoord was, " Zei Sperling. "Elke verandering in het milieu zal winnaars en verliezers hebben. Graptolieten waren misschien de verliezers."