Ученые разгадали загадку удержания кислорода Землей 2 миллиарда лет назад

Фото из открытых источников

Ученые выяснили, как фосфор помог удержать кислород в атмосфере Земли более 2 миллиардов лет назад, проложив путь для зарождения сложной жизни. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Более 2 миллиардов лет назад кислород стал постоянной частью атмосферы Земли. Что произошло дальше, десятилетиями оставалось загадкой для ученых. Каким-то образом уровень кислорода оставался достаточно высоким на протяжении миллионов лет, чтобы в конечном итоге обеспечить существование сложной жизни.

Новое исследование наконец-то объясняет, как это происходит, и ответ кроется в питательном веществе, о котором большинство людей редко задумываются. Исследование проводилось под руководством ученых из Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR).

Ученые давно понимают основную хронологию. Кислород стал неотъемлемой частью атмосферы Земли примерно 2,3 миллиарда лет назад, во время «Великого окислительного события». Оставалось неясным, как так получилось, что уровень кислорода оставался повышенным после этого, а не снижался со временем. 

Без постоянного доступа к кислороду путь к более сложным формам жизни, возможно, никогда бы и не открылся. Понимание того, что поддерживало высокий уровень кислорода, имеет решающее значение для объяснения того, как Земля стала планетой, способной поддерживать жизнь.

Исследователи нашли ответ в неожиданном питательном веществе: фосфоре. Это тот же элемент, который содержится в удобрениях и в основе каждой нити ДНК.

«Живые организмы не могут расти или нормально функционировать без фосфора», — сказала соавтор исследования Одри Беккер из Калифорнийского университета в Риверсайде. «По мере того, как его становилось больше в океанах, это позволяло накапливать больше органического углерода. Побочным эффектом этого процесса стало то, что в атмосферу продолжало выделяться больше кислорода».

По мере поступления кислорода в океаны концентрация сульфатов также возрастала. Микроорганизмы использовали эти сульфаты для более эффективного разложения органических веществ. В результате этого процесса фосфор возвращался в морскую воду, где он подпитывал новый биологический рост.

Чем больше форм жизни, тем больше органического углерода было захоронено в океанических отложениях. Захороненный углерод не может вступать в реакцию с кислородом, поэтому больше кислорода осталось в атмосфере, а не было поглощено в процессе распада. 

Для проверки этой идеи сначала нужно было решить техническую проблему. Беккер и его коллеги проанализировали древние породы из Южной Африки, используя новую методику. Этот метод позволяет разделить фосфор в зависимости от типа минерала, с которым он связан. Более старые методы просто не могли этого сделать.

Метод работает за счет растворения каждого типа минералов по отдельности. Этот поэтапный процесс позволяет определить, был ли заключенный внутри фосфор действительно доступен для биологического использования, или же он был химически заблокирован и бесполезен для живых организмов.

До сих пор ученые могли измерять только общее количество фосфора, сохранившегося в древних породах. Это общее количество не позволяло различить фосфор, который когда-то питал древнюю жизнь, и фосфор, который никогда не мог этого сделать. 

«Теперь мы можем отделить фосфор, который был доступен организмам, от фосфора, который, по сути, был заблокирован», — говорит Беккер. «Это позволяет нам получить гораздо более четкое представление об уровне питательных веществ в древних океанах, чем это было раньше».

Полученные данные указывают и на еще один момент. Уровень кислорода, вероятно, колебался после Великого окислительного события гораздо сильнее, чем предполагали ученые ранее. Вероятно, эти колебания изменили химический состав океана на протяжении десятков миллионов лет. Они также, вероятно, повлияли на круговорот питательных веществ в окружающей среде в целом.

Эта поправка может изменить представление ученых о медленном зарождении сложной жизни. Если бы кислорода действительно было в избытке в течение длительных периодов времени, то простой его дефицит, возможно, не полностью объясняет, почему сложным организмам потребовалось так много времени для появления. 

Другие экологические или биологические факторы могли иметь не меньшее значение. Эта древняя история находит отклик в современном мире. Изменение климата уже приводит к тому, что некоторые участки современного океана теряют кислород. 

Если эта тенденция сохранится, предупреждают исследователи, доступность фосфора может снова снизиться. Это будет напоминать условия, существовавшие миллиарды лет назад, но в обратном порядке.

Снижение доступности фосфора приведет к уменьшению продуктивности морской среды. Это, в свою очередь, может значительно снизить устойчивость морских экосистем к будущим стрессам в тот момент, когда они уже сталкиваются с потеплением воды и изменением пищевых цепей.

Последствия этого выходят за пределы Земли. Понимание того, как именно кислород, питательные вещества и жизнь развивались вместе здесь, может помочь ученым выявить аналогичные условия на других планетах с океаном. Это могут быть как ледяные луны в нашей собственной Солнечной системе, так и далёкие экзопланеты, которые ещё предстоит детально изучить.

«История Земли показывает, что кислород, питательные вещества и жизнь развивались вместе. Понимание этих взаимосвязей дает нам более тонкое представление о будущем нашей планеты и о том, что мы могли бы искать на других планетах», — заключает Беккер.