Как всплеск фосфора 2,5 млрд лет назад наполнил Землю кислородом

Два с половиной миллиарда лет назад наша планета изменилась навсегда. Атмосфера, прежде почти лишенная кислорода, начала им насыщаться. Это событие, известное как Великая кислородная катастрофа, было долгим и нестабильным процессом, который в итоге создал мир, пригодный для сложной жизни.

Но что именно стало тем толчком? Десятилетиями ученые спорили о причинах этой глобальной перемены. Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, предлагает ответ. Похоже, у первого вдоха Земли был конкретный химический катализатор. И имя ему — фосфор.

Что расскажут древние камни?

Для реконструкции событий прошлого, геологи изучают древние породы. Камни хранят в себе архив химических следов старых океанов и атмосферы.

В конкретном исследовании важны два показателя.

Первый — это изотопы углерода (δ¹³C). Он показывает уровень биологической активности. Когда фотосинтезирующие организмы активно размножаются в воде, они забирают легкий углерод. После их гибели этот углерод оседает на дно. В воде остается больше тяжелого углерода, и формирующиеся породы получают эту «тяжелую» углеродную отметку. Высокие значения δ¹³C говорят о большой продуктивности живых организмов.

Второй показатель — это фосфаты, связанные с карбонатами (CAP). Фосфор — это ключевое питательное вещество. Без него организмы, производящие кислород, не могут расти. CAP показывает, сколько фосфора содержалось в морской воде, когда формировалась порода.

Ученые изучили образцы из 14 мест по всей планете, и нашли взаимосвязь. Временные отрезки с очень высокими показателями δ¹³C — особенно во время события Ломагунди (около 2,2 млрд лет назад) — точно совпадали с пиками содержания фосфора в океане. Два сигнала — один о продуктивности жизни, второй о наличии для нее строительных блоков — двигались вместе. Это указывает на прямую связь.

Химический процесс в масштабе планеты

На основе этих данных можно построить четкую последовательность событий.

1. Поступление фосфора. По каким-то причинам, например из-за вулканов или вследствии разрушения суши, в океан попало много фосфора.
2. Рост жизни. Для простейших фотосинтезирующих организмов это было изобилие пищи. Большое количество фосфора вызвало их быстрое размножение по всей планете.
3. Выделение кислорода. Фотосинтез производит кислород как побочный продукт. Масса микроорганизмов начала поставлять его в атмосферу в огромных количествах.

Этот механизм показывает, почему пики активности жизни и фосфора совпадают. Больше пищи вело к росту жизни и увеличению кислорода. Модель, которую построили ученые, это подтвердила: временный рост фосфора в океане мог вызвать сильное и резкое увеличение кислорода в воздухе, повторяя картину, которую геологи видят в породах.

Почему кислородный подъем прекратился?

После пика события Ломагунди количество кислорода в воздухе сильно уменьшилось и не увеличивалось еще почти миллиард лет. Почему так произошло?

Кажется, биосфера Земли пострадала от собственного успеха.

Новая среда с большим количеством кислорода поменяла химический состав океана. Кислород помог железу и другим элементам активнее связывать фосфор и убирать его из воды. Он оседал на дне.

В итоге система, получившая много «топлива», начала его быстро терять. Источник питания для жизни иссяк, ее продуктивность упала, а производство кислорода сильно снизилось. Этот цикл подъема и спада показывает, какой неустойчивой была система ранней Земли.

Каково значение этого открытия?

Это открытие показывает, что Великое кислородное событие было активным процессом, которым управляли определенные биогеохимические циклы. В этих циклах жизнь не только отвечала на условия планеты, но и сама их меняла.

Понимание этих главных механизмов помогает узнать, как появилась наша среда. Тот кислородный скачок, хоть и временный, подготовил условия для появления эукариот — сложных клеток, из которых состоят все крупные живые существа, включая людей.