Исследование 3,5 миллиардов лет истории Земли: дефицит удобрений на эоны затормозил эволюцию животных?

На протяжении более трёх миллиардов лет эволюция первой животной жизни на Земле была готова произойти, но необходимого для неё пригодного для дыхания кислорода не было, и причиной могла быть нехватка простых питательных веществ.

Примерно 800 миллионов лет назад, в позднем протерозое, фосфор — химический элемент, необходимый для всей жизни, — начал накапливаться в мелководных зонах океана у побережий, широко считающихся колыбелью животных и других сложных организмов. Вместе с накоплением фосфора запустилась глобальная химическая цепная реакция, включавшая другие питательные вещества, которая позволила организмам насыщать кислородом атмосферу и океаны. Вскоре после этого перехода, согласно авторитетной теории, по планете прокатились волны климатических крайностей, дважды надолго замораживая её. Повышенная доступность питательных веществ и усиление уровня кислорода, вероятно, также подстегнули величайший скачок эволюции вперёд.

Исследователи подчёркивают, что не утверждают, будто фосфор обязательно вызвал цепную реакцию, но в осадочных породах, взятых из прибрежных районов, этот элемент отмечает место, где начался этот взрыв жизни и изменение климата. «Сроки определённо подозрительны», — отметил Крис Рейнхард, соавтор исследования из Технологического института Джорджии.

Учёные проанализировали данные об осадочных породах, сформировавшихся в древних прибрежных зонах, углубляясь слой за слоем на 3,5 миллиарда лет в прошлое, чтобы вычислить, как эволюционировал цикл фосфора. «Самое основное изменение — от очень ограниченной доступности фосфора к гораздо более высокой его доступности в поверхностных водах океана», — пояснил Рейнхард. «И этот переход, по-видимому, произошёл как раз в то время, когда произошли очень большие изменения в уровне кислорода в океане и атмосфере, и непосредственно перед появлением животных».

Исследователи предполагают, что в бескислородном мире происходило «выведение» питательных веществ, что сдерживало фотосинтезирующие организмы, которые в противном случае были готовы производить запасы кислорода как минимум два миллиарда лет. Затем эта сбалансированная система была нарушена, и океанический фосфор попал в прибрежные воды.

Работа предлагает новый взгляд на факторы, позволившие жизни преобразовать атмосферу Земли. Она помогает заложить основу для прогнозов о том, что позволит жизни изменять атмосферы экзопланет, и может вдохновить на более глубокие исследования того, как океаническо-атмосферная химия управляет климатической нестабильностью и влияет на расцвет и угасание жизни на протяжении эпох.

Ключ к пониманию того, как нехватка питательных веществ подавляла производство пригодного для дыхания кислорода, лежит в цианобактериях — «матери» кислорода на Земле. «Единственная причина, по которой у нас есть хорошо насыщенная кислородом планета, на которой мы можем жить, — это оксигенный фотосинтез», — сказал геохимик Ноа Планавски из Йельского университета. «O₂ — это отходы жизнедеятельности фотосинтезирующих клеток, таких как цианобактерии, которые объединяют CO₂ и воду для создания сахаров».

Учёные предполагают, что на протяжении эонов минеральное железо, когда-то насыщавшее океаны, вероятно, связывалось с фосфором и отправляло его на тёмные глубины океана, вдали от мелководий (континентальных окраин), где цианобактериям он был нужен для процветания и производства кислорода. Исследователи также использовали геохимическую модель, чтобы показать, как глобальная система с высокой концентрацией железа и низкой доступностью фосфора в сочетании с низкой доступностью азота на мелководьях могла самоподдерживаться в низкокислородном мире.

Но около 800 миллионов лет назад что-то изменилось, и цианобактерии в экосистемах континентальных окраин получили больше фосфора — основы ДНК и РНК и ключевого участника клеточного метаболизма. Бактерии стали более активными, быстрее размножались и производили гораздо больше O₂. «Фосфор не только необходим для жизни», — сказал Планавски. «Что подразумевается во всём этом: он может контролировать количество жизни на нашей планете».

Учёные проанализировали около 15 000 записей о горных породах для своего исследования. Первый сигнал фосфора в мелководьях побережья Земли появляется в летописи сланцев, как выстрел стартового пистолета в гонке за изобилие жизни. Исследование было опубликовано в журнале Nature 21 декабря 2016 года.