Ученые-геологи пролили свет на эволюцию жизни 800 миллионов лет назад

Группа геологов из Технологического института Вирджинии обнаружила доказательства, которые могут свидетельствовать о том, что нитраты ответственны за многие процессы в плане эволюции жизни. Выводы группы, недавно опубликованные в журнале Science Advances, показывают увеличение биологически доступного азота в то время, когда морские эукариоты — организмы, клетки которых имеют ядро, — стали доминировать. Сложные эукариотические клетки превратились в многоклеточные организмы, и им приписывают открытие совершенно новой эры жизни на Земле, включая животных, растения и грибы.

«То, где мы сидим сегодня, с жизнью, как она есть на планете, является суммой всех событий, которые произошли в прошлом. И это ключевое событие, когда мы переходим от преимущественно прокариотических экосистем — клеток, которые намного проще, чем те, что есть в наших телах, — к эукариотам. Если бы этого не произошло, нас бы сегодня здесь не было», — сказал соавтор статьи доцент геохимии осадочных пород Бен Гилл.

Предыдущие исследования были сосредоточены на роли фосфора в появлении эукариот, но Джуньяо Канг, докторант кафедры наук о Земле и ведущий автор статьи, интересовался ролью азота в этом событии.

«Эти данные уникальны, потому что данные по изотопам азота практически отсутствуют в период раннего неопротерозоя или между миллиардом и 800 миллионами лет назад», — сказал Канг.

Сотрудничая с Нанкинским университетом в Наджине, Китай, Кан провел два года, работая над тем, чтобы понять, что послужило причиной появления эукариот, с помощью анализа изотопов азота образцов горных пород из Северо-Китайского кратона. Этот регион, где находятся скалы возрастом 3,8 миллиарда лет, когда-то был покрыт океаном.

«У нас были некоторые приблизительные представления о том, когда эукариоты стали экологически успешными», — сказал Шухай Сяо, профессор геобиологии и соавтор статьи. «Они были там в течение долгого времени в сдержанном состоянии, пока около 820 миллионов лет назад не стали многочисленными».

Канг решил, что хочет узнать почему. Он взял данные из образцов горных пород, ввел их в большую базу данных и проанализировал их в более длительном масштабе времени, охватывающем разные географические местоположения.

«Как только мы проделали такую интеграцию и сложили ее в общую картину, мы увидели рост содержания нитратов во времени, что произошло около 800 миллионов лет назад», — сказал Канг.

Совместный международный подход был ключом к связыванию этих новых данных с биологическими событиями, в первую очередь с появлением эукариот.

Гилл и Рэйчел Рид, также геохимик Колледжа наук и соавтор статьи, предоставили критический анализ с использованием ресурсов, в том числе масс-спектрометра в лаборатории стабильных изотопов геонауки в Технологическом институте Вирджинии. Элементный анализатор, соединенный с масс-спектрометром, позволил исследователям извлекать чистый газообразный азот из образцов для анализа.

Гилл специализируется на реконструкции настоящих и прошлых химических циклов на нашей планете. Он сотрудничает с палеонтологами, чтобы изучить записи о жизни, сохранившиеся в геологической летописи, и изучить, какие потенциальные факторы окружающей среды могли способствовать изменениям в жизни на протяжении истории.

Рид, которая обычно сосредотачивает свои исследования на более поздних событиях на Земле, имела особую возможность поделиться своими знаниями по изотопам азота с этими древними окаменелостями.

Фейфей Чжан, геохимик из Нанкинского университета, был четвертым соавтором статьи. Чжан дал представление о том, сколько кислорода было бы доступно в океанах в то время, когда количество нитратов увеличивалось.

Все авторы Технологического института Вирджинии являются аффилированными членами Центра глобальных изменений Института наук о жизни Фралина, а Канг является доктором философии. сотрудник аспирантской программы «Интерфейсы глобальных изменений». Центр объединяет экспертов из разных областей для решения этих сложных глобальных задач и подготовки лидеров следующего поколения.

Сяо, который помогал раскапывать и изучать некоторые из самых древних окаменелостей со всего мира, сказал, что такой тип исследования дает ему надежду на будущие открытия. Члены команды надеются на сотрудничество с НАСА по будущим грантам, таким как программа экзобиологии, поддерживающая их текущие исследования.

Он также благодарит Университетские библиотеки Технологического института Вирджинии за поддержку публикаций в открытом доступе, таких как Science Advances, которые предоставляют проверенный выбор исследований, свободно доступных для читателей.

«Мы можем связать точки изотопного состава азота в древнем прошлом, а затем перейти к следующему шагу и сделать вывод, сколько нитратов было доступно для организмов», — сказал Сяо. «А затем мы связываем это с данными окаменелостей, чтобы показать, что есть связь».

В то время как древние океаны давно исчезли, то, что происходило в древних океанах, записано в горных породах, и изучение этих горных пород обеспечивает связь между историей нашей Земли, настоящим и будущим.

«Геологи смотрят на горные породы по той же причине, по которой биржевые трейдеры смотрят на кривую Доу-Джонса, когда принимают решения о продаже или покупке акций. Геологическая история, записанная в горных породах, дает нам важный контекст о глобальных изменениях в будущем», — сказал Сяо.