Великое преображение: фосфор создал первый кислород на Земле

Молодая Земля — это был мир без голубого неба, лишенный дыхания сложной жизни. Его атмосфера — это удушливая смесь парниковых газов, где свободный кислород практически отсутствует. Однако около двух с половиной миллиардов лет назад на планете произошел переломный момент, навсегда изменивший ее судьбу — Великое окислительное событие. Что же стало тем спусковым крючком, который заставил атмосферу наполниться кислородом, открыв путь для будущего царства растений и животных?

Новое исследование, проведенное международной командой ученых, дает убедительный ответ: ключевую роль сыграло поступление фосфора, скромного, но жизненно важного питательного вещества, в древние океаны. Это открытие не только проливает свет на наше собственное прошлое, но и задает направление для поиска жизни в других мирах.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications под руководством доктора Мэтью Додда из Университета Западной Австралии, объединило два мощных подхода: анализ древних геологических архивов и сложное компьютерное моделирование. Ученые сосредоточились на карбонатных породах, которые, как страницы в каменной летописи, хранят химические сигналы древней морской воды. Внутри этих пород они измерили концентрацию карбонат-ассоциированного фосфата — индикатора, который точно показывает, сколько растворенного фосфора содержалось в океанах миллиарды лет назад.

Результаты этого анализа оказались удивительными. Было обнаружено, что уровни фосфора в океане и кислорода в атмосфере росли и падали синхронно на протяжении Великого окислительного события. Более того, этот фосфорный сигнал точно повторял уже известные науке изотопные следы углерода, которые являются прямым свидетельством биологической продуктивности и процессов захоронения органического углерода. Эта параллель указала на существование прямой причинно-следственной связи.

Чтобы подтвердить свою гипотезу, команда ученых провела тысячи модельных экспериментов, которые продемонстрировали, что лишь один сценарий идеально объясняет все собранные геологические данные: кратковременное, но мощное повышение поступления фосфора в древние океаны.

Общая картина, выявленная в результате исследования, выглядит следующим образом. В определенный период истории Земли произошел масштабный выброс фосфора в океаны. Для фотосинтезирующих цианобактерий, которые уже существовали, но чья активность была ограничена, это стало настоящим расцветом. Фосфор, являясь критически важным питательным веществом для фотосинтеза, спровоцировал невиданный ранее всплеск их размножения и активности.

В результате этого взрыва биологической продуктивности огромные объемы органического углерода, созданного микробами, начали погружаться на дно и захораниваться в осадках. Именно этот процесс захоронения, по словам ученых, стал поворотным моментом. Когда углерод изымался из круговорота и надежно хоронился, его «напарник» в реакции фотосинтеза — кислород — больше не тратился на окисление горных пород и органики, а начинал свободно накапливаться в атмосфере. Таким образом, Земля совершила свой первый, решающий «вдох».

Значение этого открытия выходит далеко за рамки академического интереса к древней истории. Понимание механизмов, которые создали и поддерживали стабильный уровень кислорода на нашей планете, крайне важно для прогнозирования ее будущего в условиях меняющегося климата. Кроме того, это исследование предоставляет новый инструмент для астробиологов. Астрономы, ищущие признаки жизни на экзопланетах, часто рассматривают наличие кислорода в атмосфере как главный индикатор.

Однако кислород может теоретически образовываться и абиогенным путем. Данная работа предлагает проверяемый биологический сценарий: если богатая кислородом атмосфера планеты является результатом жизнедеятельности, она должна быть неразрывно связана с циклами ключевых биогенных элементов, таких как фосфор, в ее океанах. Таким образом, исследование не только объясняет прошлое Земли, но и прокладывает путь к обнаружению жизни в бескрайних просторах Вселенной, предоставляя надежную основу для интерпретации данных с далеких миров.