Цивилизация
Вопрос о том, в какой именно момент земной истории уровень атмосферного кислорода стал достаточным для поддержания сложных форм жизни, относится к числу ключевых проблем эволюции земной жизни и поисков жизни за пределами Земли.
Международная группа исследователей выяснила, что повышение уровня кислорода происходило одновременно 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 Proceedings of the National Academy of Sciences.
«До сих пор оставался важный пробел в нашем понимании влияния факторов окружающей среды на раннюю стадию эволюции земной жизни, — объясняет Максвелл Лехте из канадского Университета Макгилла 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, был 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, они смогли оценить 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 все 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 Чангл Ван 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».
Содержание кислорода в атмосфере оставалось низким еще 800 млн лет назад, затем все меняется, и именно тогда впервые появляются свидетельства возникновения сложных экосистем в «летописи» минералов. Так что если бы сложные эукариоты существовали раньше, то их среда обитания была бы ограничена локальными «карманами», где содержание кислорода на какое-то время повышалось.
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 дыхания.
4 млрд лет назад, когда жизнь только зарождалась, Земля выглядела совершенно иначе и ее атмосфера была крайне бедна кислородом. Но планету покрывали обширные моря, где на мелководьях 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, он вообще никогда не повысится, однако при этом планета все же будет обитаема.
Не исключено, что более подходящим индикатором жизни при таких поисках окажется не кислород, а побочный продукт фотохимических процессов — озон в верхних слоях атмосферы.
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, 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 то время и лучше понять обратную связь с глобальным круговоротом кислорода в природе.