Частицы железа и кремния в древней морской воде помогли цианобактериям насытить кислородом океаны Земли миллиарды лет назад

Кислород в атмосфере Земли появился, в частности, благодаря частицам железа и кремния в древней морской воде, согласно новому исследованию геомикробиологов из Университета Альберты. Эти результаты объясняют лишь часть древней загадки.

Ранние организмы — цианобактерии — производили кислород посредством оксигенного фотосинтеза, что привело к оксигенации атмосферы. Однако для эволюции им требовалась защита от УФ-излучения Солнца. Именно здесь вступают в дело частицы железа и кремния в древней морской воде, как объясняет Александра Млошевска, бывшая аспирантка, проводившая исследование под руководством профессоров Курта Конхаузера и Джорджа Оттрима.

Команда изучила влияние УФ-стресса на цианобактерии и степень проникновения излучения через морскую воду, используя комбинацию микробиологических, спектроскопических, геохимических методов и моделирования. Они обнаружили, что высокие концентрации кремния и железа в ранней морской воде способствовали образованию взвешенных в океане железо-кремниевых частиц, которые сохранялись в толще воды длительное время.

«По сути, железо-кремниевые частицы действовали как древний солнцезащитный крем для цианобактерий, оберегая их от летального воздействия прямого УФ-облучения, — пояснил Конхаузер. — Это было критически важно на ранней Земле до формирования достаточно мощного озонового слоя, который позволил морскому планктону распространиться по всему миру, как это происходит сегодня».

Однако это лишь часть истории. Оттрим отметил, что хотя накопление атмосферного кислорода цианобактериями способствовало эволюции кислородного дыхания и многоклеточных организмов, загадкой остаётся, почему после появления цианобактерий потребовалось так много времени для постоянного накопления свободного кислорода в атмосфере.

Железо-кремниевые частицы позволили бы ранним цианобактериям выжить, но УФ-излучение всё равно препятствовало бы их широкому распространению. «Вероятно, ранние цианобактерии были не так продуктивны, как сегодня, из-за воздействия УФ-стресса. До тех пор, пока накопление кислорода от деятельности цианобактерий не позволило развиться более постоянным средствам защиты, таким как озоновый слой, УФ-стресс, возможно, играл ещё более важную роль в формировании структуры древнейших экосистем», — объяснила Млошевска.

Новые данные также можно использовать в качестве примера для понимания потенциала возникновения жизни на других планетах, подверженных повышенному уровню УФ-излучения, например, на каменистых планетах земного типа в обитаемых зонах близлежащих систем звезд M-карликов, таких как TRAPPIST-1, Проксима Центавра, LHS 1140 и Ross 128.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications под названием «UV radiation limited the expansion of cyanobacteria in early marine photic environments». Работа выполнена в сотрудничестве с коллегами из Университета Тюбингена и Йельского университета при поддержке Национального научно-исследовательского совета Канады и Института астробиологии NASA «Альтернативные Земли».