Насыщение океана кислородом могло произойти раньше, чем считалось ранее

Несколько ключевых моментов в истории Земли помогают нам, людям, ответить на вопрос «Как мы сюда попали?» Эти моменты также проливают свет на вопрос «Куда мы идем?» и предлагают ученым более глубокое понимание того, как организмы адаптируются к физическим и химическим изменениям в окружающей среде.

Среди них — продолжительное эволюционное событие, произошедшее более 2 миллиардов лет назад, известное как Великое окислительное событие (GOE). Это был первый случай, когда кислород, вырабатываемый фотосинтезом и необходимый для выживания людей и многих других форм жизни, начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах.

Если бы вы отправились назад во времени до GOE (более 2,4 миллиарда лет назад), вы бы столкнулись с преимущественно бескислородной средой. Организмы, которые процветали тогда, были анаэробными, то есть им не требовался кислород, и они полагались на такие процессы, как ферментация, чтобы вырабатывать энергию. Некоторые из этих организмов все еще существуют сегодня в экстремальных условиях, таких как кислые горячие источники и гидротермальные источники.

GOE вызвало одно из самых глубоких химических преобразований в истории поверхности Земли. Оно ознаменовало переход от планеты, фактически лишенной атмосферного кислорода — и неблагоприятной для сложной жизни — к планете с насыщенной кислородом атмосферой, которая поддерживает биосферу, известную нам сегодня.

Ученые уже давно интересуются определением сроков и причин крупных изменений в содержании кислорода в атмосфере, поскольку это имеет основополагающее значение для понимания того, как возникла сложная жизнь, включая человека.

Пока наше понимание этого критического периода еще формируется, группа исследователей из Сиракузского университета и Массачусетского технологического института копает глубоко — буквально — в древних кернах горных пород из-под Южной Африки, чтобы найти подсказки о времени GOE. Их работа дает новое представление о темпах биологической эволюции в ответ на повышение уровня кислорода — и о долгом, сложном пути к появлению эукариот (организмов, клетки которых содержат ядро, заключенное в мембрану).

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, проводилось под руководством Бенджамина Увегеса, который завершил проект в качестве постдокторанта Массачусетского технологического института и сотрудничал с профессором наук о Земле Сиракузского университета Кристофером Джуниумом при проведении химических анализов.

Чтобы вернуться назад во времени, исследовательская группа проанализировала керны осадочных пород, собранные в нескольких местах по всей Южной Африке. Эти места были тщательно выбраны, поскольку их породы, возраст которых составляет от 2,2 до 2,5 миллиардов лет, попадают в идеальный возрастной диапазон для сохранения свидетельств GOE. Анализируя стабильные изотопные соотношения, заложенные в этих породах, группа обнаружила доказательства океанических процессов, которые требовали присутствия нитрата — индикатора более богатых кислородом условий.

Для анализа древних отложений Увегес работал с Джуниумом из Сиракузского университета. Джуниум специализируется на изучении того, как эволюционировали прошлые среды, чтобы лучше понять будущие глобальные изменения. Его самые современные приборы были необходимы для получения точных показаний уровней следового азота.

«В породах, которые мы анализировали для этого исследования, были очень низкие концентрации азота, слишком низкие для измерения с помощью традиционных приборов, используемых для этой работы», — говорит Увегес. «Крис построил один из немногих приборов в мире, которые могут измерять соотношения изотопов азота в образцах, в которых азота в 100–1000 раз меньше, чем типичный минимум».

В лаборатории Джуниума команда проанализировала соотношения изотопов азота в образцах южноафриканских пород с помощью прибора, называемого масс-спектрометром изотопного отношения (IRMS). Образцы сначала измельчали в порошок, химически обрабатывали для извлечения определенных компонентов, а затем превращали в газ. Этот газ ионизировали (превращали в заряженные частицы) и ускоряли через магнитное поле, которое разделяло изотопы на основе их массы. Затем IRMS измерял соотношение ¹⁵N к ¹⁴N, что может показать, как азот обрабатывался в прошлом.

Важным компонентом масс-спектрометра изотопного отношения является модуль криоловушки/капиллярной фокусировки. Это оборудование, сыгравшее решающую роль в обеспечении возможности проведения изотопного анализа азота, представленного в статье, размещено в лаборатории Junium в Сиракузском университете.

Так как же этот процесс выявляет прошлые уровни кислорода? Микробы влияют на химический состав осадков до того, как они станут камнем, оставляя после себя изотопные сигнатуры того, как азот перерабатывался и использовался. Отслеживание изменений в ¹⁵N до ¹⁴N с течением времени помогает ученым понять, как развивалась окружающая среда Земли, в частности, уровни кислорода.

По словам Увегеса, самым удивительным открытием является сдвиг в сроках аэробного азотного цикла океана. Данные свидетельствуют о том, что азотный цикл стал чувствительным к растворенному кислороду примерно на 100 миллионов лет раньше, чем считалось ранее, что указывает на значительную задержку между накоплением кислорода в океане и его накоплением в атмосфере.

Джуниум отмечает, что эти результаты знаменуют собой критический переломный момент в азотном цикле, когда организмам пришлось обновить свой биохимический аппарат, чтобы перерабатывать азот в более окисленной форме, которую им было сложнее усваивать и использовать.

«Все это соответствует новой идее о том, что ВКР был длительным испытанием, в ходе которого организмам пришлось искать баланс между извлечением энергии из кислородного фотосинтеза и постепенной адаптацией к работе с его побочным продуктом — кислородом», — говорит Джуниум.

Поскольку кислород, вырабатываемый в процессе фотосинтеза, начал накапливаться в атмосфере, этот рост содержания кислорода привел к вымиранию многих анаэробных организмов и заложил основу для развития аэробного дыхания — процесса, в котором кислород используется для расщепления глюкозы и обеспечивается энергия, необходимая для таких функций, как движение мышц, мозговая активность и поддержание жизнедеятельности клеток у людей и других животных.

«В течение первых двух с лишним миллиардов лет истории Земли в океанах и атмосфере было чрезвычайно мало свободного кислорода», — говорит Увегес. «Напротив, сегодня кислород составляет одну пятую часть нашей атмосферы, и по сути вся сложная многоклеточная жизнь, какой мы ее знаем, зависит от него для дыхания. Так что, в некотором смысле, изучение роста кислорода и его химического, геологического и биологического воздействия на самом деле является изучением того, как планета и жизнь коэволюционировали, чтобы прийти к нынешней ситуации».

Их выводы меняют наше понимание того, когда поверхностные среды Земли стали богатыми кислородом после эволюции фотосинтеза, производящего кислород. Исследование также определяет ключевую биогеохимическую веху, которая может помочь ученым смоделировать, как различные формы жизни развивались до и после GOE.

«Я надеюсь, что наши выводы вдохновят на большее исследование этого захватывающего периода времени», — говорит Увегес. «Применив новые геохимические методы к изученным нами кернам горных пород, мы сможем построить еще более подробную картину GOE и его влияния на жизнь на Земле».