Forskare har identifierat hur spårmängder av nickel och urea hindrade uppbyggnaden av syre i jordens atmosfär i över en miljard år. Deras experiment visar att dessa föreningar begränsade cyanobakterietillväxten tills förhållandena ändrades, vilket utlöste den stora oxidationshändelsen för cirka 2,1 till 2,4 miljarder år sedan. Resultaten ger insikter i tidig jordkemi och potentiella biosignaturer på andra planeter.
Den stora oxidationshändelsen (GOE), som inträffade för cirka 2,1 till 2,4 miljarder år sedan, förvandlade jordens atmosfär genom att tillåta syre att ackumuleras och stödja komplex liv. Dock hade syreproducerande fotosyntes hos cyanobakterier utvecklats hundratals miljoner år tidigare, men atmosfäriska syrenivåer förblev låga under en utdragen period. Forskare har länge undrat över denna fördröjning och utforskat faktorer som vulkanutsläpp och kemiska sänkor, men ingen förklarade det fullt ut.
Ett team ledd av Dr. Dilan M. Ratnayake från Institute for Planetary Materials vid Okayama University, Japan—nu vid Department of Geology, University of Peradeniya, Sri Lanka—undersökte rollen för spårföreningarna nickel och urea i cyanobakterietillväxt. Samarbetspartners inkluderade professorerna Ryoji Tanaka och Eizo Nakamura. Deras studie, publicerad i Communications Earth & Environment 2025, återskapade arkeiska jordförhållanden från 4 till 2,5 miljarder år sedan genom labexperiment.
I det första experimentet utsattes blandningar av ammonium, cyanid och järnföreningar för UV-C-ljus, som simulerade strålning före ozonskiktet, för att testa naturlig ureabildning. Det andra involverade odling av cyanobakterier (Synechococcus sp. PCC 7002) under varierande ljuscykler med olika nickel- och ureakoncentrationer, och mätte tillväxt via optisk densitet och klorofyll-a-nivåer.
Resultaten indikerade att höga nivåer av nickel och urea i tidig arkeisk tid begränsade cyanobakterieblomningar och förhindrade hållbar syrutsättning. Som Dr. Ratnayake förklarade, "Nickel har en komplex men fascinerande relation med urea beträffande dess bildning såväl som dess biologiska konsumtion, medan tillgängligheten av dessa i lägre koncentrationer kan leda till proliferation av cyanobakterier." Minskande nickel och stabiliserad urea tillät cyanobakterier att frodas, vilket drev syreackumulation och GOE.
Dr. Ratnayake noterade bredare implikationer: "Att generera syre skulle vara en massiv utmaning om vi någonsin koloniserar en annan planet. Därför sökte vi förstå hur en liten mikroorganizm, cyanobakterier, kunde förändra jordens förhållanden för att göra dem lämpliga för evolutionen av komplex liv, inklusive vårt eget." Han tillade, "Om vi kan förstå mekanismerna för att öka atmosfärens syreinnehåll klart, kommer det att belysa biosignaturdetektion på andra planeter. Resultaten visar att samspelet mellan oorganiska och organiska föreningar spelade avgörande roller i jordens miljöförändringar, vilket fördjupar vår förståelse av jordens syreevolution och därmed livet på den."
Dessa insikter kan informera Marsprovreturmissioner och sökandet efter liv på exoplaneter genom att belysa hur kemiska balanser påverkar oxygenisering.