[ad_1]
Первые 2 миллиарда лет истории Земли в воздухе практически не было кислорода.
В то время как некоторые микробы фотосинтезировали во второй половине этого периода, кислород еще не накопился на уровнях, которые могли бы повлиять на глобальную биосферу.
Но где-то около 2,3 миллиарда лет назад это стабильное равновесие с низким содержанием кислорода сместилось, и кислород начал накапливаться в атмосфере, в конечном итоге достигнув уровня, необходимого для поддержания жизни, которым мы дышим сегодня.
Это быстрое вливание известно как Великое событие оксигенации или GOE. Что спровоцировало это событие и вытащило планету из ее состояния с низким содержанием кислорода, является одной из величайших загадок науки.
Новая гипотеза, предложенная учеными Массачусетского технологического института, предполагает, что кислород, наконец, начал накапливаться в атмосфере благодаря взаимодействиям между некоторыми морскими микробами и минералами в океанских отложениях.
Эти взаимодействия помогли предотвратить потребление кислорода, запустив процесс самоусиления, когда все больше и больше кислорода стало доступным для накопления в атмосфере.
Ученые изложили свою гипотезу, используя математический и эволюционный анализы, показав, что действительно существовали микробы, которые существовали до ГЭ и развили способность взаимодействовать с отложениями способом, предложенным исследователями.
Их исследование, опубликованное сегодня в Nature Communications, является первым, связывающим совместную эволюцию микробов и минералов с насыщением Земли кислородом.
«Вероятно, самым важным биогеохимическим изменением в истории планеты было насыщение атмосферы кислородом», — говорит автор исследования Дэниел Ротман, профессор геофизики на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS).
«Мы показываем, как взаимодействие микробов, минералов и геохимической среды действовало согласованно, увеличивая содержание кислорода в атмосфере».
Соавторами исследования являются ведущий автор Хайтао Шан, бывший аспирант Массачусетского технологического института, и Грегори Фурнье, доцент геобиологии в EAPS.
Шаг вверх
Сегодняшние уровни кислорода в атмосфере представляют собой устойчивый баланс между процессами, производящими кислород, и процессами, которые его потребляют. До GOE атмосфера поддерживала иной вид равновесия, когда производители и потребители кислорода находились в равновесии, но таким образом, что для атмосферы не оставалось много дополнительного кислорода.
Что могло подтолкнуть планету из одного стабильного состояния с дефицитом кислорода в другое стабильное, богатое кислородом состояние?
«Если вы посмотрите на историю Земли, то увидите, что было два скачка, когда вы переходили от устойчивого состояния с низким содержанием кислорода к устойчивому состоянию с гораздо более высоким содержанием кислорода, один раз в палеопротерозое, другой раз в неопротерозое», — отмечает Фурнье.
«Эти скачки не могли быть из-за постепенного увеличения избытка кислорода. Должна была быть какая-то петля обратной связи, которая вызвала такое скачкообразное изменение стабильности».
Он и его коллеги задались вопросом, могла ли такая положительная петля обратной связи возникнуть из-за процесса в океане, который сделал некоторый органический углерод недоступным для его потребителей.
Органический углерод в основном потребляется в результате окисления, обычно сопровождаемого потреблением кислорода — процесса, при котором микробы в океане используют кислород для разрушения органических веществ, таких как детрит, осевший в отложениях.
Команда задалась вопросом: мог ли быть какой-то процесс, посредством которого присутствие кислорода стимулировало его дальнейшее накопление?
Шанг и Ротман разработали математическую модель, которая сделала следующее предсказание: если бы микробы обладали способностью лишь частично окислять органическое вещество, то частично окисленное вещество, или «POOM», эффективно становилось бы «липким» и химически связывалось с минералами в осадка таким образом, чтобы защитить материал от дальнейшего окисления.
Кислород, который в противном случае был бы потреблен для полного разложения материала, вместо этого мог бы накапливаться в атмосфере.
Они обнаружили, что этот процесс может служить положительной обратной связью, обеспечивая естественный насос, подталкивающий атмосферу к новому равновесию с высоким содержанием кислорода.
«Это заставило нас задаться вопросом, существует ли микробный метаболизм, который вызывает POOM?» — говорит Фурье.
В генах
Чтобы ответить на этот вопрос, команда провела поиск в научной литературе и определила группу микробов, которые сегодня частично окисляют органическое вещество в глубинах океана.
Эти микробы относятся к группе бактерий SAR202, а их частичное окисление осуществляется с помощью фермента, монооксигеназы Байера-Виллигера, или БВМО.
Команда провела филогенетический анализ, чтобы увидеть, как далеко можно проследить появление микроба и гена фермента.
Они обнаружили, что у бактерий действительно были предки, жившие еще до GOE, и что ген фермента можно было проследить в различных микробных видах еще до GOE.
Более того, они обнаружили, что разнообразие гена или количество видов, которые приобрели ген, значительно увеличилось во времена, когда атмосфера испытывала всплески насыщения кислородом, в том числе один раз во время палеопротерозоя GOE и снова в неопротерозое.
«Мы обнаружили некоторые временные корреляции между разнообразием генов, производящих POOM, и уровнем кислорода в атмосфере», — говорит Шанг. «Это подтверждает нашу общую теорию».
Чтобы подтвердить эту гипотезу, потребуется гораздо больше исследований, от экспериментов в лаборатории до исследований в полевых условиях и всего, что между ними. Своим новым исследованием команда представила нового подозреваемого в давнем деле о том, что насыщало кислородом атмосферу Земли.
«Предложение нового метода и демонстрация доказательств его правдоподобности — это первый, но важный шаг», — говорит Фурнье. «Мы определили это как теорию, достойную изучения».
Эта работа была частично поддержана фондом mTerra Catalyst Fund и Национальным научным фондом.
Автор Дженнифер Чу.
[ad_2]
Source