Количество биомассы - жизни - в древних океанах Земли могло быть ограничено из-за низкой переработки ключевого питательного фосфора, согласно новому исследованию, проведенному Вашингтонским университетом и Университетом Сент-Эндрюс в Шотландии.
Исследование, опубликованное онлайн 22 ноября в журнале Science Advances, также комментирует роль вулканизма в поддержании ранней биосферы Земли и может даже применяться к поиску жизни в других мирах.
Ведущий автор статьи - Майкл Кипп, докторант Университета Вашингтона в области наук о Земле и космосе; соавтор - Ева Штюкен, научный сотрудник Университета Св. Эндрюс и бывший постдокторант Университета Вашингтона. Роджер Бьюик, профессор UW по наукам о Земле и космосе, консультировал исследователей.
Их цель, по словам Киппа, состояла в том, чтобы использовать теоретическое моделирование для изучения того, как уровни фосфора в океане менялись на протяжении всей истории Земли.
«Нас интересовал фосфор, потому что считается, что он является питательным веществом, ограничивающим количество жизни в океане, наряду с углеродом и азотом», - сказал Кипп. «Вы меняете их относительное количество, и вы меняете, по сути, количество биологической продуктивности».
Кипп сказал, что их модель показывает, что способность фосфора к переработке в древнем океане «была намного ниже, чем сегодня, может быть, в 10 раз меньше».
Всем живым существам для процветания требуется обильная пища, а химический элемент фосфор, который смывается в океан реками в виде фосфатов, является ключевым питательным веществом. Попав в океан, фосфор несколько раз перерабатывается, поскольку такие организмы, как планктон или эукариотические водоросли, которые «съедают» его, в свою очередь потребляются другими организмами.
«Поскольку эти организмы используют фосфор, они, в свою очередь, поедаются или умирают, а другие бактерии разлагают их органические вещества, - сказал Кипп, - и они выпускают часть этого фосфора обратно в океан. циклически повторяется несколько раз, позволяя высвободившемуся фосфору накапливаться в океане. Объем переработки является ключевым фактором, определяющим общее количество фосфора в океане, который, в свою очередь, поддерживает жизнь.
Buick объяснил: «Каждый садовник знает, что их растения растут очень маленькими и тощими без фосфатных удобрений. То же самое относится к фотосинтезирующей жизни в океанах, где фосфатное «удобрение» поступает в основном из фосфора, высвобождаемого при разложении мертвых растений. планктон."
Но для всего этого нужен кислород. В сегодняшних океанах, богатых кислородом, почти весь фосфор перерабатывается таким образом, и лишь немногие оседают на дно океана. Однако несколько миллиардов лет назад, в докембрийскую эпоху, кислорода в окружающей среде было мало или совсем не было.
«Есть некоторые альтернативы кислороду, которые могли бы использовать определенные бактерии, - сказал соавтор Штюкен. - Некоторые бактерии могут переваривать пищу, используя сульфат. Другие используют оксиды железа». По ее словам, сульфат был самым важным средством контроля переработки фосфора в докембрийскую эпоху.
«Наш анализ показывает, что эти альтернативные пути были доминирующим путем переработки фосфора в докембрии, когда кислорода было очень мало», - сказал Штюкен. «Однако они гораздо менее эффективны, чем переваривание кислородом, а это означает, что может быть переварено только меньшее количество биомассы. Как следствие, было бы переработано гораздо меньше фосфора, и, следовательно, общая биологическая продуктивность была бы подавлена по сравнению с сегодняшним днем."
Кипп сравнил океан с низким содержанием кислорода на ранней Земле с своего рода «консервированной» средой, в которой кислород изолирован: «Это закрытая система. с точки зрения биологической активности."
Стюкен отметил, что вулканы были самым большим источником сульфатов в докембрии, в отличие от сегодняшнего дня, и поэтому они были необходимы для поддержания значительной биосферы, позволяя перерабатывать фосфор.
На самом деле, без такого вулканического сульфата, сказал Штюкен, биосфера Земли была бы очень маленькой и, возможно, не сохранилась бы в течение миллиардов лет. Таким образом, результаты показывают, «насколько сильно жизнь связана с фундаментальными геологическими процессами, такими как вулканизм на ранней Земле», - сказала она.
Моделирование Киппа и Штюкена может также иметь значение для поиска жизни за пределами Земли.
Астрономы будут использовать будущие наземные и космические телескопы, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2019 год, для изучения влияния морской биосферы, как и Земли, на атмосферу планеты. Но исследователи говорят, что низкий уровень фосфора может привести к тому, что обитаемый мир будет казаться необитаемым, что приведет к своего рода «ложноотрицательному результату»."
Кипп сказал: «Если меньше жизни - в основном, меньше фотосинтеза - труднее накапливать атмосферный кислород, чем если бы у вас были современные уровни фосфора и скорость производства. Это может означать, что некоторые планеты могут казаться необитаемыми из-за из-за нехватки кислорода, но на самом деле у них есть биосферы, ограниченные в размерах из-за низкой доступности фосфора.
«Эти «ложноотрицательные результаты» - одна из самых больших проблем, с которыми мы сталкиваемся в поисках жизни в другом месте», - сказала Виктория Медоуз, профессор астрономии Университета Вашингтона и главный исследователь Виртуальной планетарной лаборатории Института астробиологии НАСА, базирующейся в Университете Вашингтона..
"Но исследования окружающей среды на ранней Земле увеличивают наши шансы на успех, открывая процессы и планетарные свойства, которые определяют наши поиски жизни на близлежащих экзопланетах."