На протяжении последних трех миллиардов лет земной истории органическая жизнь была готова к эволюционным прыжкам и даже взрывам. Ей не хватало малого – кислорода для дыхания и фосфора для развития.
Как только эти химические элементы оказались доступны в достаточном количестве – а произошло это в позднем протерозое, около 800 млн лет назад – биосфера, а за ней и вся планета буквально преобразились >>
Настоящее Бытие Земли
Доцент отделения наук о земле и атмосфере Технологического института Джорджии Крис Рейнхард (Chris Reinhard) и геохимик из Йельского университета Ной Планавски (Noah Planavsky) изучали докембрийские осадочные горные породы, сформировавшиеся в прибрежных районах мирового океана. Их задачей было оценить изменения в круговороте фосфора и ту роль, которую этот элемент играет в появлении современного биоразнообразия.
Двигаясь вверх по разрезу с рубежа 3,5 млрд лет, они обнаружили любопытную закономерность. «Основное изменение заключается в том, что фосфор становится намного более доступен в поверхностных водах океана, – рассказал Рейнхард. – Это изменение происходит примерно в то же время, что и появление кислорода в океане и атмосфере, и незадолго до появления животных».
Таким образом, по данным исследователей, появление доступного для биологических систем фосфора непосредственно предшествовало расцвету жизни. «Последовательность событий определенно бросается в глаза», – подчеркнул Рейнхард.
По итогам своих наблюдений Рейнхард и Планавски вместе с международной командой исследователей предположили, что именно нехватка фосфора и бескислородная атмосфера долгое время не позволяли развиваться фотосинтезирующим организмам. Когда же баланс в системе изменился и фосфор попал в прибрежные воды, на Земле стартовало бурное развитие жизни, в конечном итоге сформировавшее нынешнюю атмосферу и ландшафты.
Этот новый взгляд на факторы, позволившие живым организмам изменить атмосферу Земли, помогает заложить фундамент, опираясь на который ученые смогут прогнозировать наличие жизни на экзопланетах, а также лучше понимать, как химические взаимоотношения океана и атмосферы вызывают глобальные климатические изменения и влияют на колебания численности живых организмов.
Цианобактерия, мать кислорода
Сложные живые организмы, например животные, обладают активным метаболизмом и требуют большого количества кислорода для его поддержания. Эволюция животных немыслима без кислорода. Чтобы понять, почему нехватка биогенов могла препятствовать выработке кислорода, нам необходимо обратить внимание на очень необычную группу бактерий, известных под названием цианобактерии. Их можно назвать настоящими матерями кислорода на Земле.
«Причина появления кислорода, достаточного для дыхания, на нашей планете заключается в кислородном фотоcинтезе, – рассказывает Планавски. – Кислород – это отходы работы фотосинтезирующих клеток, например цианобактерий, перерабатывающих углекислый газ и воду в сахара».
Фотосинтез – эволюционная сингулярность, он появился лишь однажды в истории Земли. Многие другие биологические прорывы происходили десятки и сотни раз в течении времени, например – переход от одноклеточных организмов к первичной многоклеточности. Однако ученые уверены, что кислородный фотосинтез появился лишь однажды, у цианобактерий, и все последующие фотосинтезирующие организмы лишь унаследовали этот механизм.
Именно цианобактериям, существующим уже более 2,5 млрд лет, сегодня наука приписывает основную роль в наполнение земной атмосферы кислородом. Но возникает вопрос: почему им понадобилось так много времени? Ответ, по мнению Рейнхарда и Планавски, кроется в дефиците биогенов – простых минеральных соединений, которыми бактерии питались. Например, фосфор, содержание которого в осадочных породах изучали ученые, присутствовал в океанах миллиарды лет, но большинство этого срока находился в связанном состоянии и в совершенно неподходящих для цианобактерий местах.
На протяжении геологических эпох железо, всегда в больших количествах присутствовавшее в океане, связывалось с фосфором и выпадало на дно вдали от мелководий, также называемых материковыми склонами, на которых, собственно, и обитали так нуждающиеся в нем цианобактерии. Кстати, этот древний химический механизм и сейчас активно используется для очистки вод, загрязненных фосфорсодержащими удобрениями.
В результате сформировалась глобальная геохимическая система с высоким содержанием железа и низкой доступностью фосфора и азота на океанических мелководьях, которая могла сохраняться в низкокислородном мире практически неограниченное время.
«Судя по всему, это была очень устойчивая планетарная система, но очевидно, что это не та система, в которой мы сейчас живем. Вопрос в том, как произошел переход от низкокислородного состояния к тому, в которым мы сейчас находимся», – отмечает Планавски.
Фосфор как стартовый пистолет
800 млн лет назад что-то изменилось – цианобактерии и другие мелкие организмы стали получать больше фосфора, служащего основой для таких важных молекул, как ДНК и РНК. Бактерии стали более активными, начали быстрее размножаться, потреблять больше фосфора и создавать намного больше кислорода. «Фосфор не просто необходим для жизни, – говорит Планавски. – Фосфор регулирует количество жизни на нашей планете».
Когда бактерии умирают, они опускается на дно моря, разлагаются и обогащают фосфором ил. А ил в конечном счете превращается в камень. «С увеличением биомассы увеличилось и содержание в ней фосфора, а значит его присутствие увеличилось и в осадочных породах, – говорит Рейнхард. – Для ученых такие пласты – как страницы в книге истории морского дна».
Ученые листают их десятилетиями, собирая данные для своих гипотез. Рейнхард и Планавски пришлось изучить около 15 000 образцов.
«В первую подборку вошли только 600 образцов», – вспоминает Планавски. «Но тенденция была заметна уже тогда. Скачок фосфора был ясен как белый день. А по мере роста базы данных этот феномен лишь подтвердился», – добавляет Рейнхард.
Первый след фосфора на прибрежных мелководьях отразился в сланцевой летописи как выстрел из стартового пистолета в гонке биоразнообразия. Пока удалось лишь установить сам факт этого выстрела, а что стало причиной для него – задача новых исследований.
Статья Evolution of the global phosphorus cycle опубликована в журнале Nature
Doi: 10.1038/nature20772
