Кисень уже з’явився в атмосфері Землі, але залишалося головне питання: чому він не зник так само швидко, як накопичився? Нове дослідження вчених із Каліфорнійського університету в Ріверсайді вказує на несподіваного «героя» — фосфор.

Саме цей елемент міг допомогти підтримувати високий рівень кисню протягом мільйонів років і створити умови, за яких згодом стало можливим виникнення складного життя.

Загадка, якій понад 2 мільярди років

Приблизно 2,3 мільярда років тому на Землі відбулася Велика киснева подія — період, коли кисень почав надовго накопичуватися в атмосфері.

Це був один із найважливіших переломних моментів в історії планети. Але вчені десятиліттями не могли повністю пояснити, чому після цього кисень залишався в атмосфері протягом настільки тривалого часу, замість того щоб поступово зникнути внаслідок хімічних реакцій та розкладання органічної речовини. Нове дослідження пропонує важливу частину відповіді.

Все могло початися з фосфору

Фосфор потрібен живим організмам для росту та нормального функціонування. Він також є важливою частиною ДНК і використовується сучасним сільським господарством як компонент добрив.

Але мільярди років тому його роль могла бути набагато масштабнішою. Дослідники припускають, що збільшення доступності фосфору в океанах стимулювало розвиток життя. Чим активніше росли й розмножувалися мікроорганізми, тим більше органічного вуглецю зрештою потрапляло в морські відклади.

І тут виникає ключовий момент. Коли органічний вуглець опинявся похованим у морському дні, він уже не міг так само активно реагувати з киснем. У результаті частина кисню, яка в іншому випадку була б витрачена на розкладання органічної речовини, залишалася в атмосфері.

Більше фосфору → більше життя → більше похованого вуглецю → більше кисню, який зберігається в атмосфері.

Океан міг сам підтримувати цей цикл

Механізм виявився ще цікавішим. Коли кисню в океані ставало більше, паралельно зростала концентрація сульфатів. Мікроорганізми використовували сульфати для ефективнішого розкладання органічної речовини. Під час цього процесу фосфор знову вивільнявся у морську воду.

Тобто виникав своєрідний замкнений цикл: фосфор підтримував біологічну активність, а діяльність мікроорганізмів допомагала повертати фосфор назад в океан.

Це могло сприяти новому росту живих організмів і подальшому похованню органічного вуглецю. Саме такий механізм, за словами дослідників, міг допомогти кисню залишатися в атмосфері протягом дуже тривалого часу.

Вчені навчилися «читати» фосфор у стародавньому камінні

Щоб перевірити цю гіпотезу, дослідники проаналізували давні породи з Південної Африки. Але звичайного вимірювання кількості фосфору було недостатньо. Річ у тому, що фосфор у породах може перебувати в різних мінералах. Частина могла бути доступною для древніх організмів, а частина — фактично хімічно «замкненою» і непридатною для життя.

Тому команда використала нову методику, яка дозволяє розділяти фосфор залежно від того, з якими мінералами він був пов’язаний. Це дало змогу набагато точніше оцінити, скільки фосфору в стародавньому океані справді могло використовуватися живими організмами.

Кисень на Землі міг поводитися набагато нестабільніше

Дослідження вказує ще на одну цікаву деталь. Після Великої кисневої події рівень кисню, ймовірно, не був стабільним. Він міг помітно коливатися протягом десятків мільйонів років, змінюючи хімію океанів і кругообіг поживних речовин.

Це може змусити вчених по-новому поглянути на виникнення складного життя. Якщо кисню в певні періоди було достатньо, то його нестача сама по собі не обов’язково пояснює, чому складні організми з’явилися лише значно пізніше. Можливо, свою роль відігравали й інші екологічні та біологічні фактори.

Давня історія Землі має сучасне продовження

Найцікавіше, що відкриття стосується не лише минулого. Сучасні океани вже стикаються зі зниженням концентрації кисню в окремих регіонах через потепління та інші зміни.

Якщо такі процеси посилюватимуться, доступність фосфору для морських організмів також може змінюватися. Це здатне впливати на продуктивність океанічних екосистем, які одночасно переживають потепління та зміни харчових ланцюгів.

Тобто механізм, який колись допомагав Землі накопичувати кисень, сьогодні може дати вченим підказки про те, наскільки тісно пов’язані кисень, поживні речовини та життя.

Підказка для пошуку життя за межами Землі

Дослідники вважають, що отримані результати можуть бути корисними й для астробіології. Якщо кисень на планеті або супутнику виявляється разом із певними ознаками активного кругообігу поживних речовин, це може допомогти краще оцінювати потенційну придатність такого світу для життя. Йдеться як про крижані супутники Сонячної системи, так і про далекі екзопланети.

Адже історія Землі показує: самого кисню недостатньо, щоб зрозуміти походження життя. Потрібно дивитися на всю систему — океани, поживні речовини, хімію планети та живі організми, які мільярди років змінювали одне одного.

Дослідження опубліковане в журналі Nature Communications.