Что задержало оксигенацию Земли?

Фотосинтез, питающий огромную биосферу Земли, — это светозависимая реакция, превращающая углекислый газ и воду в углеводы и кислород. Около 2,3 миллиарда лет назад эта реакция привела к резкому насыщению кислородом атмосферы Земли.

Существуют свидетельства того, что кислородный фотосинтез возник гораздо раньше — возможно, около 3 миллиардов лет назад. Однако богатая кислородом атмосфера, которую мы сегодня воспринимаем как данность, существует лишь около 10% от 4,5-миллиардной истории Земли. Почему оксигенация атмосферы произошла так сильно позже эволюции кислородного фотосинтеза?

«Это поразительное отставание оставалось неразрешимой загадкой в области истории Земли и планетологии», — говорит Кристофер Рейнхард из Школы наук о Земле и атмосфере.

Рейнхард, бывший постдокторант школы Казуми Озаки и их коллеги предложили решение этой загадки. Их выводы, опубликованные в Nature Communications, предполагают, что в океанах ранней Земли кислородные фотосинтетики не могли эффективно конкурировать со своими примитивными аналогами.

Современные фотосинтетики потребляют воду и выделяют кислород. Примитивные же вместо этого потребляли растворенные ионы железа, которых было много в океанах ранней Земли, и в качестве побочного продукта производили ржавчину, а не кислород.

Используя экспериментальную микробиологию, геномику и крупномасштабное биогеохимическое моделирование, «мы обнаружили, что фотосинтезирующие бактерии, использующие железо вместо воды, являются яростными конкурентами за свет и питательные вещества», — говорит Озаки, ведущий автор статьи. «Мы предполагаем, что их способность вытеснять кислород-продуцирующих фотосинтетиков является важным компонентом глобального кислородного цикла Земли».

Исследование — часть работы Рейнхарда по пониманию того, как эволюция фотосинтетической биосферы контролировала состав атмосферы Земли. «Мы хотим понять сроки основных биологических инноваций и их влияние на химию океанов и атмосферы Земли. Мы считаем эти принципы центральными для понимания нашего собственного эволюционного происхождения и поиска жизни за пределами нашей Солнечной системы».

«Наши результаты способствуют более глубокому пониманию биологических факторов, контролирующих долгосрочную эволюцию атмосферы Земли, — говорит Озаки. — Они предлагают лучшее механистическое понимание факторов, способствующих оксигенации атмосфер планет земного типа за пределами нашей Солнечной системы». Результаты «дают совершенно новую точку зрения для построения теоретических моделей биогеохимического кислородного цикла Земли», — добавляет Рейнхард.