Затем произошла жестокая планетарная метаморфоза. Приблизительно 800 миллионов лет назад, в позднем протерозое, фосфор, химический элемент, необходимый для всего живого, начал накапливаться в мелководных зонах океана вблизи береговых линий, которые широко считаются местом рождения животных и других сложных организмов, согласно новому исследованию геологи из Технологического института Джорджии и Йельского университета.
Наряду с накоплением фосфора произошла глобальная химическая цепная реакция, в которую были включены другие питательные вещества, которые заставили 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, — утверждает широко известная теория. Повышенная доступность питательных веществ и кислорода также, вероятно, послужила толчком для величайшего рывка эволюции вперед.
Спустя миллиарды лет, в течение которых жизнь почти полностью состояла из одноклеточных организмов, животные эволюционировали. Сначала они были чрезвычайно простыми, напоминающими сегодняшние губки или медузы, но Земля на протяжении эонов превращалась из менее чем гостеприимной планеты к сложной жизни и превращалась в целую, разрывающуюся ею.
Истинный генезис Земли
За последние несколько сотен миллионов лет биоразнообразие расцвело, что привело к густым джунглям и лугам, которые перекликаются с криками животных, а воды извиваются каждой формой плавников и цветом чешуи. И почти каждый этап развития оставил свой след в летописи окаменелостей.
Исследователи стараются не подразумевать, что фосфор обязательно вызвал цепную реакцию, но в осадочных породах, взятых 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 возглавляли исследования, добыли записи об осадочных породах, которые образовывались в древних прибрежных зонах и опускались слой за слоем до трех.5 миллиардов лет назад, чтобы вычислить, как эволюционировал цикл незаменимого фосфора для удобрений и как он, по-видимому, сыграл большую роль в истинном генезисе.
Они заметили замечательную конгруэнтность, когда продвигались вверх через слои сланца в период, когда зародилась животная жизнь, в позднем протерозойском эоне.
«Самым существенным изменением было от очень ограниченной доступности фосфора к гораздо более высокой доступности фосфора в поверхностных водах океана», — сказал Рейнхард. "И переход, казалось, произошел как раз в то время, когда произошли очень большие изменения в уровне кислорода в атмосфере океана и незадолго до появления животных."
Фосфор на пляже
Рейнхард и Планавский вместе с международной командой предположили, что очистка питательных веществ в бескислородном (почти свободном от O2) мире задерживает рост фотосинтезирующих организмов, которые в противном случае были готовы в течение как минимум двух миллиардов лет создавать запасы кислорода.
Затем эта сбалансированная система была нарушена, и океанический фосфор попал в прибрежные воды.
Ученые опубликовали свои выводы в журнале Nature.
Их исследования финансировались Национальным научным фондом, Институтом астробиологии НАСА, Фондом Слоуна и Японским обществом содействия науке.
Работа дает новый взгляд на то, какие факторы позволили жизни изменить атмосферу Земли. Это помогает заложить основу, которую ученые могут применять для прогнозирования того, что позволит жизни изменять атмосферы экзопланет, и может вдохновить на более глубокие исследования здесь, на Земле, того, как химия океана и атмосферы влияет на нестабильность климата и влияет на рост и падение жизни. Через года.
Цианобактерии, мать O2
Сложные живые существа, в том числе животные, обычно обладают огромным метаболизмом и нуждаются в большом количестве O2, чтобы управлять им.
Без него немыслима эволюция животных.
Путь к пониманию того, как недостаток питательных веществ приведет к истощению производства кислорода для дыхания, ведет к совершенно особому виду бактерий, называемых цианобактериями, матери кислорода на Земле.
«Единственная причина, по которой у нас есть хорошо насыщенная кислородом планета, на которой мы можем жить, — это кислородный фотосинтез», — сказал Планавский. "O2 — это продукт жизнедеятельности фотосинтезирующих клеток, таких как цианобактерии, которые объединяют CO2 и воду для образования сахаров."
А фотосинтез — это эволюционная особенность, то есть он проявился только один раз в истории Земли — у цианобактерий.
Некоторые другие биологические явления неоднократно развивались в десятках или сотнях несвязанных инцидентов 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 развитии.
Железный якорь
Цианобактериям приписывают наполнение атмосферы Земли O2, и они существуют уже 2 года.5 миллиардов лет или более.
Возникает вопрос: почему так долго?? Ученый предполагает, что основные питательные вещества, которыми питались бактерии, были недоступны.
Фосфор, который специально отслеживали Планавский и Рейнхард, тоже находился в океане миллиарды лет, но был связан не в том месте.
На протяжении веков минеральное железо, которое когда-то насыщало океаны, вероятно, связалось с фосфором и погрузило его в темные глубины океана, вдали от этих отмелей, также называемых континентальными окраинами, где цианобактериям было необходимо оно для процветания и производства кислорода. Даже сегодня железо используется для очистки воды, загрязненной удобрениями, для удаления фосфора, погружая его в глубокие отложения.
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 мелководьях может закрепиться в мире с низким содержанием кислорода.
"Похоже, это была такая стабильная планетная 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 для будущих исследований.
Стартовый пистолет Phosphorus
Но что-то действительно изменилось около 800 миллионов лет назад, и цианобактерии и другие мелкие организмы в экосистемах континентальной окраины получили больше фосфора, основы ДНК и РНК и основного участника клеточного метаболизма. Бактерии стали более активными, быстрее размножались, потребляли больше фосфора и производили больше O2.
«Фосфор необходим не только для жизни», — сказал Планавский. "Все это подразумевает следующее: он может контролировать количество жизни на нашей планете."
Когда размноженные бактерии умерли, они упали на дно океанских отмелей, собираясь слой за слоем, разлагаясь и обогащая ил фосфором.
Грязь со временем превратилась в камень.
«По мере увеличения содержания фосфора в биомассе, все больше его попадает в слои осадочной породы», — сказал Рейнхард. "Для ученых этот сланец — это страницы книги по истории морского дна."
Ученые десятилетиями листали их, собирая данные.
Планавский и Рейнхард проанализировали около 15000 рок-пластинок для своего исследования.
"Первый сборник, который у нас был, состоял всего из 600 семплов", — сказал Планавский. Рейнхард добавил: «Но вы уже тогда это видели. Фосфорный толчок был ясен как день.
По мере того, как база данных увеличивалась в размерах, это явление становилось все более укоренившимся."
Этот первый сигнал фосфора на отмелях земного побережья появляется в сланцевых пластинах, как выстрел из стартового пистолета в гонке за изобилие жизни.