Кислород в атмосфере Земли – ключевой фактор развития сложной жизни. Его появление, известное как Великое кислородное событие (ВКС), произошло примерно 2,1–2,4 миллиарда лет назад. Однако фотосинтез с выделением кислорода, осуществляемый цианобактериями, вероятно, возник за сотни миллионов лет до этого. Несмотря на раннюю способность производить кислород, его уровень в атмосфере оставался низким удивительно долго. Учёные давно спорят о причинах этой задержки, рассматривая такие факторы, как вулканические выбросы, химические поглотители и биологические взаимодействия. Тем не менее, ни один из них не мог полностью объяснить, почему накопление кислорода в земной атмосфере заняло так много времени.
Чтобы ответить на этот давний вопрос, исследователи обратились к малоизученному аспекту химии ранней Земли – роли микроэлементов, таких как никель и мочевина, в росте цианобактерий.
Доктор Дилан М. Ратнайаке из Института планетарных материалов Университета Окаямы, Япония, руководитель исследования, подчеркнул, что «создание кислородной атмосферы стало бы огромным вызовом при колонизации других планет». Он добавил: «Мы стремились понять, как крошечный микроб – цианобактерия – смог изменить условия на Земле, сделав их пригодными для эволюции сложной жизни, включая нашу собственную. Полученные в ходе этого исследования данные также обеспечат новую основу для стратегий анализа образцов в будущих миссиях по возвращению образцов с Марса».
Профессора Рёдзи Танака и Эйзо Накамура из того же института также участвовали в работе, результаты которой опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.
Для изучения условий на археевой Земле (примерно 4–2,5 миллиарда лет назад) команда провела двухэтапное экспериментальное исследование. На первом этапе смеси аммония, цианида и соединений железа подвергались воздействию ультрафиолетового излучения (UV-C). Это воспроизводило интенсивное излучение, которое, вероятно, достигало поверхности Земли до образования озонового слоя. Эти тесты позволили выяснить, могла ли мочевина – важное азотное соединение для жизни – образовываться естественным путём в таких условиях.
Во второй фазе цианобактерии (Synechococcus sp. PCC 7002) выращивались в условиях чередующихся периодов света и темноты с различным содержанием никеля и мочевины в окружающей среде. Исследователи отслеживали рост культур по оптической плотности и уровням хлорофилла-a, чтобы измерить, как эти химические факторы влияли на продуктивность цианобактерий.
На основе полученных результатов команда предложила новую модель постепенного накопления кислорода в атмосфере. В раннем архее высокие концентрации никеля и мочевины могли подавлять рост цианобактерий, препятствуя устойчивому выделению кислорода. Доктор Ратнайаке поясняет: «Никель имеет сложную, но при этом увлекательную взаимосвязь с мочевиной в части её образования и биологического потребления, при этом доступность этих элементов в более низких концентрациях может приводить к пролиферации цианобактерий». Когда уровни этих веществ со временем снизились, цианобактерии смогли активно размножаться, что привело к увеличению кислорода, кульминацией которого стало ВКС.
Значение этих открытий выходит далеко за рамки понимания древней истории. «Если мы сможем чётко понять механизмы увеличения содержания кислорода в атмосфере, это прольёт свет на обнаружение биосигнатур на других планетах», – сказал доктор Ратнайаке. Он продолжил: «Полученные данные демонстрируют, что взаимодействие между неорганическими и органическими соединениями играло решающую роль в изменении окружающей среды Земли, углубляя наше понимание эволюции кислорода на Земле и, следовательно, жизни на ней».
Эти выводы также могут быть полезны для будущих исследований планет, поскольку такие элементы, как никель и мочевина, могут влиять на развитие кислорода и жизни в других мирах. Демонстрируя, как мочевина могла естественным образом образовываться в архейских условиях, и показывая, что она действует как питательное вещество, так и ингибитор, исследователи выявили, как тонкие химические балансы формировали раннюю биосферу Земли. Их выводы предполагают, что по мере снижения уровня никеля и стабилизации мочевины цианобактерии процветали, выделяя кислород в больших количествах. Этот постепенный сдвиг в конечном итоге превратил Землю из безжизненной планеты в планету, способную поддерживать сложные экосистемы – это был глубокий шаг на долгом пути планеты к обитаемости.
