Разгадана древнейшая тайна земного кислорода
Более 2 млрд лет назад кислород стал постоянной составляющей атмосферы Земли. Однако ученые долго не могли понять, почему его уровень не снизился, а оставался достаточно высоким миллионы лет, создав условия для появления сложной жизни.
Новое исследование международной группы ученых связывает этот процесс с фосфором — элементом, о котором редко вспоминают вне сельского хозяйства и биологии. Работа в журнале Nature показывает, что доступность фосфора в древнем океане могла запустить самоподдерживающийся цикл: больше питательных веществ — больше биологической продукции и захороненного углерода — больше кислорода, сохраняющегося в атмосфере.
Что известно о Великом окислительном событии
Общий ход событий известен давно. Примерно 2,3 млрд лет назад произошла Великая кислородная катастрофа, или Великое окислительное событие: кислород, производимый древними микроорганизмами, начал устойчиво накапливаться в атмосфере.
Но само по себе появление кислорода не объясняет, почему он сохранился. Без механизмов, поддерживающих его концентрацию, кислород мог бы снова расходоваться в химических реакциях с породами, газами и продуктами разложения органики. В таком случае эволюционный путь к более сложным формам жизни мог бы вообще не открыться.
Поэтому вопрос о том, что удерживало кислород в атмосфере, важен не только для реконструкции геологического прошлого. Он помогает объяснить, как Земля превратилась в мир, способный поддерживать разнообразную жизнь.
Ключевым оказался фосфор
Исследователи связывают устойчивость кислородной атмосферы с фосфором. Этот элемент входит в состав удобрений и образует основу каждой молекулы ДНК. Он необходим живым организмам для роста, обмена веществ и размножения.
«Живые существа не могут нормально расти и функционировать без фосфора», — отметила соавтор работы, исследователь UCR Одри Беккер.
По его словам, когда в океанах стало больше доступного фосфора, что позволило захоронить больше органического углерода. Побочным результатом такого процесса становилось дальнейшее высвобождение кислорода в атмосферу.
Механизм обратной связи
Механизм выглядел как обратная связь. По мере поступления кислорода в океан росло содержание сульфатов. Микроорганизмы использовали сульфаты, чтобы эффективнее разлагать органическое вещество. В ходе этого процесса фосфор возвращался в морскую воду и вновь становился доступным для жизни.
Дополнительный фосфор стимулировал новый биологический рост. Чем больше органического вещества производили организмы, тем больше органического углерода оседало и захоранивалось в донных отложениях.
Захороненный углерод уже не мог соединиться с кислородом при разложении. Поэтому кислород не расходовался полностью и продолжал оставаться в атмосфере. Так цикл питательных веществ мог поддерживать окисление планеты на протяжении длительного времени.
Чтобы проверить эту гипотезу, команде пришлось сначала решить техническую задачу. Беккер и его коллеги исследовали древние породы Южной Африки новым методом, позволяющим различать фосфор по типу минерала, с которым он связан.
Прежние методики определяли лишь общее количество фосфора, сохранившегося в породе. Но этот показатель не отвечал на главный вопрос: мог ли данный фосфор быть использован древними организмами или был химически заперт в минералах и недоступен для жизни.
Новый подход основан на последовательном растворении минералов разных типов. Такая процедура позволила установить, какая доля фосфора была биодоступной, а какая оставалась связанной в устойчивых соединениях.
«Теперь мы можем отделить фосфор, доступный организмам, от фосфора, который был фактически заперт», — пояснила Беккер. — «Это дает более ясную картину уровня питательных веществ в древних океанах, чем прежде».
Ранняя история кислорода
Результаты также указывают, что после Великого окислительного события концентрация кислорода, вероятно, колебалась сильнее, чем считалось ранее. Такие изменения могли на протяжении десятков миллионов лет заметно перестраивать химию океанов и круговорот питательных элементов.
Поправка важна для понимания медленного появления сложных организмов. Если кислорода в отдельные длительные периоды было достаточно много, то одной лишь его нехваткой нельзя объяснить, почему сложная жизнь возникала так долго. Не меньшую роль могли играть другие экологические условия или биологические ограничения.
Параллели с современностью
Авторы видят в результатах и параллель с современностью. Из-за изменения климата некоторые районы нынешнего океана уже теряют кислород. Если эта тенденция сохранится, доступность фосфора может снова уменьшиться — фактически в обратном направлении по сравнению с процессами далекого прошлого.
Меньшая доступность фосфора означает падение морской биологической продуктивности. В результате морские экосистемы могут стать менее устойчивыми к будущим потрясениям именно тогда, когда им уже угрожают потепление воды, изменение пищевых сетей и другие последствия климатических сдвигов.
