Около 2,3 миллиарда лет назад Земля пережила один из важнейших переломов своей истории: молекулярный кислород начал устойчиво накапливаться в атмосфере. Это Великое окислительное событие в конечном счёте подготовило планету к появлению организмов, использующих кислород для эффективного получения энергии. Но здесь десятилетиями сохранялась загадка. Мало однажды наполнить атмосферу кислородом — необходимо удерживать его там миллионы лет. Почему молодая Земля после первого крупного кислородного скачка не вернулась к прежнему состоянию? Новое исследование древних пород указывает на неожиданного союзника атмосферы: химический состав океана и один из важнейших элементов жизни — фосфор.
Кислород на ранней Земле не был просто газом, который мог беспрепятственно накапливаться. Планета содержала огромное количество восстановленных минералов и других веществ, легко вступающих с ним в реакции. Они работали как химические поглотители. Даже если фотосинтезирующие микроорганизмы производили кислород, значительная его часть могла быстро расходоваться. Поэтому появление кислородной атмосферы требовало не только источника газа, но и устойчивой системы, способной поддерживать его производство.
Исследователи предполагают, что важнейшей частью такой системы стал круговорот фосфора. Для живых организмов фосфор — не второстепенная примесь. Он входит в состав ДНК и РНК, клеточных мембран и молекул, участвующих в энергетическом обмене. Если доступного фосфора мало, биологическая продуктивность ограничена независимо от того, сколько света или других ресурсов имеется вокруг.
После начала оксигенации Земли одновременно менялась химия океанов. По мере распространения кислорода увеличивалось количество сульфата в морской воде. Его могли использовать микроорганизмы, разлагавшие органическое вещество. При таком разложении часть ранее связанного фосфора возвращалась в воду и снова становилась доступной живым организмам. В результате питательное вещество не просто исчезало на морском дне, а частично возвращалось в биологический круговорот.
Дальше могла запускаться своеобразная петля обратной связи. Больше доступного фосфора означало более высокую биологическую продуктивность. Фотосинтезирующие организмы создавали больше органического вещества, а часть содержащегося в нём углерода оседала на дно и захоранивалась в осадках. Именно захоронение органического углерода имеет принципиальное значение для кислородной атмосферы.
При фотосинтезе углерод связывается в органическом веществе, а кислород выделяется в окружающую среду. Если затем вся органика разлагается, кислород снова расходуется, и долгосрочный баланс практически исчезает. Но когда часть органического углерода оказывается погребённой в осадках и выводится из быстрого круговорота, соответствующая доля кислорода остаётся в атмосфере и океане. Поэтому интенсивность захоронения углерода способна влиять на содержание кислорода в геологическом масштабе времени.
Получается удивительная цепочка: больше кислорода изменяет круговорот серы, сульфат помогает микроорганизмам перерабатывать органическое вещество, при этом высвобождается фосфор, дополнительный фосфор поддерживает новую биологическую продуктивность, а захоронение части произведённой органики способствует сохранению кислорода. Химия океана и жизнь начинают поддерживать условия, возникшие после Великого окислительного события.
Чтобы проверить эту картину, исследователям понадобилось выяснить, сколько фосфора действительно было доступно организмам в древнем океане. И здесь возникала методическая проблема. Геологи умеют измерять общее содержание фосфора в породе, но это ещё не говорит о его биологической доступности. Элемент может находиться в форме, которую микроорганизмы способны использовать, а может быть прочно заключён в минерале и практически исключён из биологического оборота.
Команда исследовала древние породы Южной Африки с помощью методики последовательного химического разделения. Различные минеральные компоненты растворяли поэтапно, что позволило определить, с какими минералами был связан фосфор. Фактически учёные получили возможность отличить потенциально доступный древней жизни запас питательного элемента от той его части, которая была геохимически заперта.
Результаты показали, что история кислорода после Великого окислительного события была гораздо менее спокойной, чем можно представить по простой схеме «кислорода не было — кислород появился». Его уровень заметно колебался на протяжении десятков миллионов лет. Вместе с ним менялась химия океана, а следовательно, доступность питательных веществ и условия существования микроорганизмов.
Это важно и для понимания эволюции. Часто задержку появления сложной жизни объясняют тем, что ранней Земле долго не хватало кислорода. Новая картина делает такое объяснение менее однозначным. Если в отдельные длительные периоды кислорода уже было достаточно, ограничивать эволюцию могли другие экологические или биологические факторы. Наличие кислорода было необходимым условием, но, возможно, далеко не единственным препятствием на пути к сложным организмам.
Особенно интересна способность этой древней системы к саморегуляции. Слишком простая модель предполагает линейную зависимость: больше питательных веществ — больше жизни — больше кислорода. Реальная биогеохимия сложнее. Изменение кислорода одновременно влияет на химические формы серы, железа и фосфора, а они, в свою очередь, меняют биологическую продуктивность. Поэтому Земля представляет собой сеть обратных связей, в которой атмосфера, океан, горные породы и микроорганизмы эволюционируют вместе.
У этого открытия есть неожиданно современное измерение. Сегодня некоторые районы океана теряют растворённый кислород из-за потепления воды и изменения её циркуляции. Древняя история показывает, что кислородный режим океана тесно связан с круговоротом питательных элементов. Изменение одного звена способно перестроить химические процессы, влияющие на продуктивность морских экосистем. Нельзя буквально переносить процессы двухмиллиардной давности на современный океан, но они демонстрируют, насколько тесно связаны его химия и биология.
Работа интересна и для астробиологии. При поиске обитаемых планет недостаточно обнаружить кислород или жидкую воду. Планета должна поддерживать круговороты питательных веществ, позволяющие биосфере существовать длительное время. Даже наличие фотосинтеза ещё не гарантирует устойчивой богатой кислородом атмосферы, если геохимическая система постоянно уничтожает произведённый кислород или лишает жизнь необходимых элементов.
Поэтому древний океан Земли можно рассматривать как часть огромной планетарной системы жизнеобеспечения. Он не просто был резервуаром воды, в котором плавали первые организмы. Его химия определяла доступность пищи для микробного мира, влияла на захоронение углерода и через цепь обратных связей помогала формировать атмосферу над поверхностью.
Великий кислородный перелом оказался не одним событием, после которого Земля мгновенно стала похожей на современную. Это был долгий геохимический переход с колебаниями и обратными связями. И одним из механизмов, позволивших планете не потерять приобретённый кислород, мог оказаться круговорот фосфора. Более двух миллиардов лет назад микроскопические организмы и химия океана фактически начали совместно перестраивать целую планету — задолго до появления животных, растений и человека, которым предстояло воспользоваться созданной ими кислородной средой.
- Понравилось: 18
А затем «Добавить на главный экран». 