Фосфорный маховик: как древний океан удержал кислород на Земле

Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде под руководством Андрея Беккера выяснили, как древний океан поддерживал жизнь после первого накопления кислорода в атмосфере более двух миллиардов лет назад. Они обнаружили, что круговорот фосфора и сульфатов создавал самоподдерживающийся цикл, который удерживал кислород на нужном уровне. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Примерно 2,3 миллиарда лет назад наша планета пережила событие, которое полностью изменило ее судьбу. Кислород, который до этого почти отсутствовал в атмосфере, начал накапливаться в заметных количествах. Этот период ученые называют Великим окислительным событием. Однако долгое время оставалось загадкой, почему после этого первоначального скачка кислород не исчез снова, а остался в атмосфере на миллионы лет, позволив жизни развиваться в более сложные формы. Новое исследование приоткрывает завесу над этой тайной, показывая, что ключевую роль сыграл не сам кислород, а химия древнего океана и связанный с ней круговорот питательных веществ.

В центре внимания ученых оказался фосфор. Этот элемент часто называют главным ограничителем роста живых организмов: без него не могут нормально работать клетки, и жизнь в океане буквально упирается в его нехватку. Когда фосфора становится больше, микроскопические водоросли и бактерии начинают активнее размножаться. Они поглощают углекислый газ и создают органическое вещество. Часть этого вещества опускается на дно и захоранивается в осадках, а кислород, который выделяется в процессе фотосинтеза, остается в атмосфере. Получается, что чем больше фосфора, тем больше кислорода может накопиться. Но откуда в древнем океане взялось достаточное количество этого элемента и почему его запасы не истощились?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые обратились к древним горным породам Южной Африки, которые сохранили следы двух последних оледенений той эпохи. Они применили новую методику, позволяющую разделять фосфор в зависимости от того, с какими минералами он связан. Раньше ученые могли измерить только общее содержание фосфора в породе, но это не говорило о том, был ли он доступен для живых организмов.

Новая техника позволила отделить фосфор, который мог использоваться биологическими системами, от того, который был заблокирован в минералах и оставался бесполезным для жизни. Результаты показали, что после оледенений, когда ледники разрушали породы и смывали в океан дополнительные количества фосфора, происходил всплеск биологической продуктивности. Это стимулировало накопление кислорода.

Но самое интересное началось дальше. По мере того как кислород насыщал океан, в воде увеличивалась концентрация сульфатов. Микроорганизмы научились использовать сульфаты для более эффективного разложения органических остатков. Этот процесс высвобождал фосфор обратно в воду, где он снова становился доступным для нового поколения живых существ. Возникал замкнутый круг: больше фосфора означало больше жизни, больше жизни означало больше захороненного углерода и больше кислорода, а больше кислорода через цепочку химических реакций снова возвращало фосфор в оборот. Этот самоподдерживающийся цикл и помогал удерживать кислород в атмосфере на протяжении миллионов лет.

Однако у этой медали была и обратная сторона. Исследование показало, что уровень кислорода в те далекие времена колебался гораздо сильнее, чем считалось ранее. Химический состав океана менялся, и эти изменения влияли на доступность питательных веществ. В какие-то периоды кислорода становилось больше, в какие-то меньше. Такая нестабильность, вероятно, растянулась на много миллионов лет и могла влиять на темпы эволюции ранней жизни. Возможно, именно эти колебания, а не только нехватка кислорода, замедляли появление более сложных организмов, которым для обмена веществ требовалось стабильно высокое содержание кислорода в воде и атмосфере.

Работа имеет значение не только для понимания далекого прошлого. Знание того, как кислород, питательные вещества и жизнь развивались вместе на Земле, может помочь ученым в поисках жизни на океанических мирах в других частях Вселенной. Если мы знаем, какие химические циклы поддерживают обитаемость, мы можем лучше представлять, что искать на далеких планетах.

В результате исследования ученые пришли к выводу, что обитаемость Земли после Великого окислительного события поддерживалась не просто наличием кислорода, а сложной системой обратных связей между фосфором, сульфатами и живыми организмами. Круговорот фосфора выступал в роли регулятора, который подпитывал биологическую продуктивность и удерживал кислород в атмосфере, хотя и с заметными колебаниями. Эта работа меняет представления о ранней истории нашей планеты и показывает, что химия океана и жизнь были тесно переплетены с самого начала.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях