В течение трех или более миллиардов лет эволюция первой животной жизни на Земле была готова произойти, практически ожидая своего часа. Но кислорода, необходимого для дыхания, не было, и, возможно, виной этому был недостаток простых питательных веществ.
Затем произошла жестокая планетарная метаморфоза. Примерно 800 миллионов лет назад, в конце протерозойского эона, фосфор, химический элемент, необходимый для всей жизни, начал накапливаться в мелководных зонах океана вблизи береговой линии, которая считается местом рождения животных и других сложных организмов. ученые-геологи из Технологического института Джорджии и Йельского университета.
Наряду с накоплением фосфора произошла глобальная цепная химическая реакция, которая включала другие питательные вещества, которые заставляли организмы перекачивать кислород в атмосферу и океаны. Вскоре после этого перехода волны экстремальных климатических явлений захлестнули земной шар, замораживая его дважды на десятки миллионов лет каждый раз, как утверждает широко известная теория. Повышенная доступность питательных веществ и повышенное содержание кислорода также, вероятно, способствовали величайшему рывку эволюции.
После миллиардов лет, в течение которых жизнь почти полностью состояла из одноклеточных организмов, эволюционировали животные. Поначалу они были очень простыми, напоминая сегодняшних губок или медуз, но Земля в течение многих тысячелетий была на пути от планеты, менее чем гостеприимной для сложной жизни, к тому, чтобы превратиться в планету, изобилующую ею.
Истинное происхождение Земли
За последние несколько сотен миллионов лет биоразнообразие расцвело, что привело к появлению густых джунглей и лугов, эхом отдающихся криками животных, и вод, извивающихся плавниками всех форм и цветов чешуи. И почти каждый этап развития оставил свой след в летописи окаменелостей.
Исследователи стараются не подразумевать, что фосфор обязательно вызвал цепную реакцию, но в осадочной породе, взятой из прибрежных районов, это питательное вещество отметило место, где произошел всплеск жизни и изменение климата. «Время определенно бросается в глаза», - сказал Крис Рейнхард, доцент Школы наук о Земле и атмосфере Технологического института Джорджии.
Рейнхард и Ноа Планавски, геохимик из Йельского университета, которые вместе руководили исследованием, изучили записи об осадочных породах, которые образовались в древних прибрежных зонах, спускаясь слой за слоем до 3,5 миллиардов лет назад, чтобы вычислить, как круговорот фосфора, необходимого для удобрения, и то, как он сыграл большую роль в подлинном генезисе.
Они заметили замечательную согласованность, когда продвигались вверх по слоям сланца в период времени, когда зародилась жизнь животных, в конце протерозойского эона.
«Самое существенное изменение заключалось в переходе от очень ограниченной доступности фосфора к гораздо более высокой доступности фосфора в поверхностных водах океана», - сказал Рейнхард. «И переход, похоже, произошел как раз в то время, когда произошли очень большие изменения в уровне кислорода в атмосфере океана и как раз перед появлением животных».
Фосфор на пляже
Рейнхард и Планавски вместе с международной командой предположили, что поглощение питательных веществ в бескислородном (почти свободном от кислорода) мире останавливает рост фотосинтезирующих организмов, которые в противном случае в течение как минимум двух миллиардов лет были готовы создать запасы питательных веществ. кислород. Затем эта сбалансированная система нарушилась, и океанический фосфор попал в прибрежные воды.
Учёные опубликовали свои выводы в журнале Nature. Их исследования финансировались Национальным научным фондом, Институтом астробиологии НАСА, Фондом Слоана и Японским обществом содействия развитию науки.
Работа дает новый взгляд на то, какие факторы позволили жизни изменить форму атмосферы Земли. Это помогает заложить основу, которую ученые могут использовать для прогнозирования того, что позволит жизни изменить атмосферу экзопланет, и может вдохновить на более глубокие исследования здесь, на Земле, того, как химия океана и атмосферы вызывает нестабильность климата и влияет на подъем и упадок жизни. сквозь века.
Цианобактерии, мать O2
Сложные живые существа, включая животных, обычно имеют огромный метаболизм и требуют достаточного количества кислорода для его запуска. Без него немыслима эволюция животных.
Путь к пониманию того, как нехватка питательных веществ приводит к истощению производства пригодного для дыхания кислорода, ведет к очень особому виду бактерий, называемых цианобактериями, матерью кислорода на Земле.
«Единственная причина, по которой у нас есть хорошо насыщенная кислородом планета, на которой мы можем жить, - это оксигенный фотосинтез», - сказал Планавский. «O2 - это отходы фотосинтезирующих клеток, таких как цианобактерии, которые объединяют CO2 и воду для создания сахаров».
А фотосинтез - это эволюционная сингулярность, то есть он развился только один раз в истории Земли - у цианобактерий.
Некоторые другие биологические явления многократно развивались в десятках или сотнях не связанных друг с другом случаев на протяжении веков, например, переход от одноклеточных организмов к рудиментарным многоклеточным организмам. Но ученые уверены, что оксигенный фотосинтез развился только один раз в истории Земли, только у цианобактерий, и все растения и другие существа на Земле, которые фотосинтезируют, участвовали в этом развитии.
Железный якорь
Считается, что цианобактерии наполняют атмосферу Земли кислородом, и они существуют уже 2,5 миллиарда лет и более.
Возникает вопрос: почему так долго? Ученые предполагают, что основные питательные вещества, которыми питались бактерии, были недоступны. Фосфор, который специально отслеживали Планавский и Рейнхард, тоже находился в океане миллиарды лет, но он был привязан не в тех местах.
На протяжении тысячелетий минеральное железо, которое когда-то насыщало океаны, вероятно, связывалось с фосфором и погружало его в темные океанские глубины, далеко от отмелей, также называемых континентальными окраинами, где цианобактерии нуждались в нем для процветания. и сделать кислород. Даже сегодня железо используется для очистки воды, загрязненной удобрениями, для удаления фосфора путем погружения его в глубокий осадок.
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 океанских отмелях может увековечить себя в мире с низким содержанием кислорода.
«Похоже, это была такая стабильная планетарная система», - сказал Рейнхард. «Но очевидно, что это не та планета, на которой мы сейчас живем, поэтому вопрос в том, как мы перешли из этого состояния с низким содержанием кислорода в то, где мы находимся сейчас?»
Что в конечном итоге вызвало это изменение - вопрос будущих исследований.
Стартовый пистолет с фосфором
Но что-то действительно изменилось около 800 миллионов лет назад, и цианобактерии и другие мельчайшие организмы в экосистемах континентальной окраины получили больше фосфора, основы ДНК и РНК и главного участника клеточного метаболизма. Бактерии стали более активными, размножались быстрее, потребляли намного больше фосфора и производили больше O2.
«Фосфор необходим не только для жизни», - сказал Планавский. «Что подразумевается во всем этом, так это то, что он может контролировать количество жизни на нашей планете».
Когда вновь размножившиеся бактерии умирали, они падали на дно этих океанских отмелей, складываясь слой за слоем, чтобы разлагаться и обогащать грязь фосфором. Грязь со временем превратилась в камень.
«По мере того, как в биомассе увеличивалось содержание фосфора, тем больше его попадало в слои осадочных пород», - сказал Рейнхард. «Для ученых этот сланец - страницы книги по истории морского дна».
Ученые просматривали их десятилетиями, собирая данные. Планавский и Рейнхард проанализировали для своего исследования около 15 000 рок-записей.
«Первая компиляция, которая у нас была, состояла всего из 600 сэмплов, - сказал Планавски. Райнхард добавил: «Но вы уже могли это видеть тогда. Всплеск фосфора был ясен как день. И по мере того, как база данных росла, это явление становилось все более укоренившимся».
Этот первый сигнал о наличии фосфора на прибрежных отмелях Земли всплывает в отчетах о сланцах, как выстрел из стартового пистолета в гонке за жизнь в изобилии.