Свыше двух миллиардов лет назад на Земле произошло резкое изменение: в атмосфере начал накапливаться кислород. Однако у учёных до сих пор оставался вопрос о том, каким образом планете удавалось поддерживать достаточный уровень этого газа на протяжении миллионов лет, чтобы она оставалась пригодной для жизни. Ответ, как показало новое исследование, может скрываться в древней системе переработки веществ в океанах.
Специалисты изучили породы Южной Африки и обнаружили, что перемены в химическом составе морской воды запустили естественный цикл. В его рамках биологическая активность способствовала дальнейшему накоплению кислорода в атмосфере. Работа опубликована в журнале Nature Communications, а среди её авторов — геолог Андрей Беккер из Калифорнийского университета в Риверсайде. Ключевую роль в поддержании кислородного баланса, по данным исследователей, сыграл фосфор — питательное вещество, необходимое для жизни.
Около 2,3 миллиарда лет назад произошла Великая кислородная революция, когда кислород стал постоянным компонентом атмосферы. Сам этот переход учёные понимают уже несколько десятилетий, но объяснить, почему кислород оставался в достатке после него, было гораздо сложнее. Исследователи выявили механизм обратной связи: по мере распространения кислорода в океанах менялся химический состав воды и росла концентрация сульфата — соединения серы и кислорода. Некоторые микробы использовали этот сульфат для более эффективного разложения органики, высвобождая фосфор обратно в воду и делая его доступным для других организмов.
Когда фосфора становилось больше, возрастала биологическая продуктивность: органический углерод чаще попадал в донные отложения, а не разлагался. Поскольку разложение органики потребляет кислород, захоронение углерода способствовало его дальнейшему накоплению в атмосфере. Так сформировался самоподдерживающийся цикл, в котором рост кислорода вызывал химические изменения, стимулировавшие жизнь, а она, в свою очередь, помогала удерживать кислород. «Живые организмы не могут нормально расти и функционировать без фосфора, — отметил Беккер. — Когда его в океанах стало больше, это позволило захоронить больше органического углерода. Побочным эффектом стало продолжающееся выделение кислорода в атмосферу».
Чтобы разобраться в процессе, учёные изучили древние породы Южной Африки методом, дающим более детальную картину доступности фосфора в доисторических океанах. Прежние измерения показывали лишь общее содержание фосфора, но не говорили, могли ли организмы его использовать: часть вещества оказывается запертой в минералах. Исследователи разделили фосфор по содержащим его минералам, растворяя разные компоненты поочерёдно, и смогли отличить доступный для жизни фосфор от связанного в минеральных структурах. «Теперь мы можем отделить фосфор, доступный организмам, от того, что был фактически заперт, — сказал Беккер. — Это даёт гораздо более ясную картину уровня питательных веществ в древних океанах, чем была у нас раньше».
Результаты указывают и на более сложную историю атмосферы Земли, чем считалось. После Великой кислородной революции уровень кислорода, вероятно, не оставался стабильным, а колебался гораздо сильнее, влияя на химию океана и круговорот питательных веществ в морской среде на протяжении десятков миллионов лет. Это может изменить взгляды на эволюцию ранней жизни: если кислорода в отдельные периоды было достаточно, задержка в появлении сложных организмов могла объясняться другими условиями среды или биологическими ограничениями. Хотя работа посвящена событиям миллиардной давности, её выводы важны и для современных океанов: изменение климата уже снижает содержание кислорода в их отдельных частях, что способно нарушить переработку фосфора и уменьшить количество этого вещества для морских организмов. Понимание связей кислорода, питательных веществ и жизни в истории Земли поможет и в поиске признаков жизни за её пределами. «История Земли показывает, что кислород, питательные вещества и жизнь развивались вместе, — подчеркнул Беккер. — Понимание этих связей даёт более nuanced (детальный) взгляд на будущее нашей планеты и на то, что мы могли бы искать на других планетах».