Если отключили
кислород, дыши азотом
Михаил Щербаков. Сентенциозные куплеты
Вопрос о том, в какой именно момент земной истории уровень атмосферного кислорода стал достаточным для поддержания сложных форм жизни, относится к числу ключевых проблем земной эволюции [1] и поисков жизни за пределами Земли [2]. В ходе нового исследования удалось выяснить, что повышение уровня кислорода происходило параллельно с эволюцией и расширением сложных эукариотических экосистем. Новые результаты представляют собой самое убедительное доказательство того, что чрезвычайно низкие уровни кислорода долгое время накладывали критически важное ограничение на земную эволюцию — это происходило на протяжении большей части земной истории — в течение многих миллиардов лет. Статья об этом опубликована в журнале PNAS [3].
«До сих пор оставался важный пробел в нашем понимании влияния факторов окружающей среды на раннюю стадию эволюции земной жизни, — объясняет Максвелл Лехте (Maxwell Lechte) из канадского Университета Макгилла [4] в Монреале. — На ранней Земле долгое время уровень кислорода в атмосфере был чрезвычайно низким, недостаточным для существования развитых форм жизни. Однако вопрос о времени, когда произошел критически важный подъем уровня кислорода, оставался в достаточной степени дискуссионным, и сроки, называемые при этом, колебались в пределах более чем миллиарда лет. Нельзя было также исключить, что насыщение кислородом произошло еще задолго до того, как эволюционировали животные».
Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи изучили богатые железом осадочные породы со всего мира, сохранившие информацию о древних прибрежных средах. Анализируя химический состав железа в этих породах, можно оценивать уровень кислорода, присутствовавшего в атмосфере при образовании этих горных пород, и влияние, которое он оказывал на раннюю жизнь, в частности, на сообщества эукариотических микроорганизмов — предшественников современных животных.
Железосодержащие осадочные породы, сформировавшиеся миллионы лет назад, содержат включения оксидов железа, считающиеся своего рода химическими индикаторами уровня кислорода, присутствующего в атмосфере во время их образования. «Мы используем изотопные „подписи“ оксидов железа, отложившихся в древних мелководных морских средах, чтобы показать, что концентрация атмосферного кислорода в системе „океан — атмосфера“ на протяжении большей части истории Земли оставалась на чрезвычайно низком уровне и что повышение содержания кислорода происходило одновременно с расширением комплексов эукариотических экосистем, — пишут авторы статьи. — Эти результаты показывают, что стабильное существование планеты при низком уровне кислорода в ее атмосфере нужно считать скорее правилом, чем исключением, и это всё имеет важное значение для поисков биосигнатур в спектрах экзопланет».
«Эти железные включения дают нам представление об уровне кислорода в мелководных морских средах, где развивалась жизнь, — говорит ведущий автор новой работы Чанлэ Ван (Changle Wang) из Китайской академии наук. — Эти „записи“ свидетельствуют о том, что в то время в атмосфере содержалось менее 1% современного количества кислорода, и это оказывало решающее влияние на допустимую сложность экосистем». 800 млн лет назад содержание кислорода в атмосфере оставалось низким, затем всё меняется, и именно тогда впервые появляются свидетельства возникновения сложных экосистем в «летописи» минералов.
Земля остается единственным местом во Вселенной, обитаемость которого не вызывает сомнений. В настоящее время атмосфера и океаны Земли чрезвычайно богаты кислородом, но так было не всегда. Оксигенация земного океана и атмосферы стала результатом фотосинтеза ранних микроорганизмов — процесса, используемого растениями и другими организмами для преобразования света в энергию, — и выделения всеми ими кислорода в атмосферу, что со временем сформировало условия, необходимые для существования сложных организмов, потребляющих кислород при дыхании.
4 млрд лет назад, когда жизнь только зарождалась, Земля выглядела совершенно иначе, а ее атмосфера была крайне бедна кислородом. Но планету покрывали обширные моря, где на мелководье обитали одноклеточные анаэробные микроорганизмы, не нуждавшиеся в кислороде. В основном это были предки цианобактерий, которые могли образовывать протяженные маты на скальных поверхностях. Цианобактерии одними из первых освоили фотосинтез, что позволило им получать из углекислого газа и воды сахар для питания и «лишний» кислород.
Уже давно установлено, что именно эти микробы и обеспечили Землю первоначальным запасом кислорода, на протяжении ряда геологических эпох создав среду, благоприятную для развитию аэробной — нуждающейся в кислороде — жизни во всех ее формах. Причем появление первых фотосинтезирующих микроорганизмов, которые, согласно изученным окаменелостям, датируются примерно 3,5 млрд лет, и насыщение всей атмосферы кислородом отделяет примерно миллиард лет.
По словам исследователей, новые данные свидетельствуют о том, что в атмосфере Земли низкий уровень атмосферного кислорода поддерживался на протяжении многих миллиардов лет — большую часть всей земной истории. И это в свою очередь имеет определяющее значение для поисков признаков жизни за пределами Солнечной системы, поскольку ранее они ориентировались прежде всего на поиски следов атмосферного кислорода, что должно было свидетельствовать о наличии жизни на данной планете в прошлом или настоящем — это то, что ученые называют биосигнатурами.
Однако если обратиться к истории Земли, то можно предположить, что и на других обитаемых планетах земной группы уровень кислорода в их атмосферах на протяжении почти всей истории может оставаться чрезвычайно низким. Возможно, на каких-то планетах у короткоживущих более крупных, чем Солнце, звезд он вообще никогда не успевает в достаточной степени повысится, однако при этом планета все же будет какое-то время обитаема, пусть это и будут лишь самые примитивные микроорганизмы.
Не исключено, что более подходящим индикатором жизни при таких поисках окажется не кислород, а побочный продукт фотохимических процессов — озон в верхних слоях атмосферы [5]. Озон образуется из молекулярного кислорода под действием солнечного света. При столкновении фотонов (ультрафиолетового диапазона) с молекулами кислорода O2 от них отрывается атом кислорода, который, присоединяясь к другой молекуле O2, образует озон O3.
«Озон интенсивно поглощает ультрафиолетовые лучи, что позволяет его легко обнаружить даже при низком уровне кислорода в атмосфере. В нашей работе подчеркивается, что поиски этих ультрафиолетовых сигнатур значительно увеличат шансы отыскать вероятные признаки жизни на планетах за пределами Солнечной системы», — поясняет еще один соавтор статьи Ноа Планавски (Noah Planavsky), американский биогеохимик из Йельского университета в Нью-Хейвене.
По словам исследователей, дополнительные геохимические исследования горных пород того периода в будущем позволят ученым составить более четкую картину эволюции уровней кислорода в давние времена и лучше изучить механизм обратных связей в глобальном круговороте кислорода в природе.
Максим Борисов
1. trv-science.ru/2019/03/veroyatnost-zarozhdeniya-zhizni/
2. trv-science.ru/2019/05/mozhno-li-raspoznat-zhizn-na-dalekoj-planete/