Как преди 2,5 милиарда години мощен изблик на фосфор е изпълнил Земята с кислород

Преди два милиарда и половина години нашата планета се е променила завинаги. Атмосферата, която преди това е била почти лишена от кислород, започва да се насища с него. Това събитие, известно като Голямата кислородна катастрофа, е било дълъг и нестабилен процес, който в крайна сметка е създал свят, подходящ за сложен живот.

Но какво точно е било това пусково събитие? В продължение на десетилетия учените спорят за причините за тази глобална промяна. Ново проучване, публикувано в Nature Communications, предлага своя отговор. Изглежда, че първият дъх на Земята е имал специфичен химически катализатор. И името му е фосфор.

Какво ни казват древните скали?

За да реконструират минали събития, геолозите изучават древните скали. Камъните съхраняват архив от химически следи от стари океани и атмосфери.

Два показателя са важни при конкретното изследване.

Първият са въглеродните изотопи (δ¹³C). Той показва нивото на биологична активност. Когато фотосинтезиращите организми се размножават активно във водата, те поемат лекия въглерод. След като умрат, този въглерод се утаява на дъното. Във водата остава повече тежък въглерод и скалите, които се образуват, получават този „тежък“ въглерод. Високите стойности на δ¹³C показват високата продуктивност на живите организми.

Вторият индикатор е фосфатно-асоциираният карбонат (CAP). Фосфорът е ключов хранителен елемент. Без него не могат да се развиват организмите, произвеждащи кислород. CAP показва колко фосфор е имало в морската вода, когато се е образувала скалата.

Учените са изследвали проби от 14 места на планетата и са открилисъвсем ясна корелация. Времевите периоди с много високи стойности на δ¹³C – особено по време на събитието Ломагунди (преди около 2,2 милиарда години) – съвпадат абсолютно точно с пиковете в съдържанието на фосфор в океана. Двата сигнала – единият за продуктивността на живота, а другият за градивните елементи за него – са се движили заедно. Това показва пряка връзка.

Химичният процес в планетарен мащаб

На базата на тези данни може да се изгради ясна последователност от събития.

• Постъпване на фосфора. По някаква причина, като например вулкани или разрушаване на сушата, в океана е попаднало голямо количество фосфор.
• Развитието на живота. За най-простите фотосинтезиращи организми това е било изобилие от храна. Голямото количество фосфор ги е накарало бързо да се размножат по цялата планета.
• Производство на кислород. При фотосинтезата се произвежда кислород като страничен продукт. Масите от микроорганизми са започнали да го доставят в атмосферата в огромни количества.

Този механизъм показва защо пиковете на живота и фосфора съвпадат. Повече храна води до повече живот и повече кислород. Моделът, който учените са изградили, потвърждава това: временното увеличение на фосфора в океана може да предизвика силно и драматично увеличение на кислорода във въздуха, повтаряйки модела, който геолозите наблюдават в скалите.

Защо нарастването на кислорода е престанало?

След пика на събитието Ломагунди количеството на кислорода във въздуха значително намаляло и не се увеличило в продължение на още почти милиард години. Защо се е случило това?

Изглежда, че биосферата на Земята е пострадала от собствения си успех.

Новата среда с повече кислород променила химическия състав на океана. Кислородът помогнал на желязото и други елементи по-активно да свързват фосфора и да го отстраняват от водата. Той се утаява на дъното.

В крайна сметка системата, която се е сдобила с много „гориво“, започнала бързо да го губи. Източникът на храна за живота е пресъхнал, продуктивността е спаднала, а производството на кислород е намаляло драстично. Този цикъл на възход и падение показва колко нестабилна е била ранната система на Земята.

Какво е значението на това откритие?

Това откритие показва, че Голямото кислородно събитие е било активен процес, който се е управлявал от специфични биогеохимични цикли. В тези цикли животът не само е реагирал на условията на планетата, но и самият той ги е променял.

Разбирането на тези основни механизми ни помага да научим как се е появила нашата околна среда. Този кислороден скок, макар и временен, е създал предпоставки за появата на еукариотите – сложните клетки, от които се състоят всички големи живи същества, включително и хората.

И така огромният прилив на фосфор, вероятно предизвикан от вулканична дейност преди около 2,5 милиарда години, е подхранил бързото увеличаване на производството на кислород от фотосинтезиращите микроорганизми. Този фосфор, отмит от новообразуваните континенти и вулканичната пепел, е действал като тор в океаните, предизвиквайки цъфтеж на цианобактерии и други микроби, които консумират въглероден диоксид и отделят кислород като страничен продукт. Този процес води до първото значително и продължително повишаване на кислорода в земната атмосфера – период, известен като Голямото кислородно събитие