Более двух миллиардов лет назад Земля пережила резкое изменение: кислород начал накапливаться в атмосфере. Впрочем, сохранить этот газ густо и продолжительно оказалось не так просто, и учёные до сих пор ищут, как именно кислород мог оставаться достаточно обильным на протяжении миллионов лет. Новое исследование предлагает объяснение через древнюю систему переработки веществ в океанах, которая могла питать непрерывное накапливание кислорода. По данным работы, представленным учёными на примере южноафриканских пород, изменения в химии океана порождали естественный цикл, в котором биологическая активность поддерживала приток кислорода в атмосферу.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, выявило, что фосфор — жизненно необходимый для организмов элемент — играл центральную роль в поддержании уровня кислорода. Среди участников проекта значился геолог Университета Калифорнии в Риверсайде Андрей Беккер. Результаты предполагают, что именно этот элемент позволял биологическим системам оставаться активными и обеспечивал условия для дальнейшего накопления кислорода.

Как именно происходил этот процесс? Ученые обнаружили обратную связь, при которой рост содержания кислорода в океанах изменял химический состав солёной воды, в том числе повышал концентрацию сульфатов. Эти соединения давали микроорганизмам возможность эффективнее разлагать органическое вещество, в ходе чего фосфор возвращался в воду и становился доступным для жизни. При большем количестве фосфора биопродуктивность возрастала, больше органического углерода могло откладываться в океанографических осадках вместо разрушения, а разложение органического вещества потребляло кислород — что, в свою очередь, способствовало устойчивому нарастанию кислорода в атмосфере.

Таким образом образовался замкнутый цикл: рост кислорода поддерживал химические изменения и биологическую активность, которая снова благоприятствовала накоплению кислорода. В итоге повторяемый эффект мог обеспечивать длительное присутствие кислорода в атмосфере и стимулировать эволюцию более сложных форм жизни в далёком прошлом. Беккер подчёркивает: «Живым существам нужен фосфор, чтобы расти и функционировать; когда его становилось больше в океанах, больше органического углерода могло накапливаться в осадках» — и это, в свою очередь, сопровождалось продолжением выброса кислорода в воздух.

Чтобы проверить идею, учёные исследовали древние горные породы Южной Африки с помощью методики, позволяющей более точно определить доступность фосфора в океанах того времени. Ранее измерения показывали, сколько фосфора было в породах, но не говорили, мог ли он использоваться организмами. Новый подход разделял фосфор по минералам: растворяли компоненты породы по частям и различали фосфор, доступный для биологической активности, от фосфора, который оказался заперт в минеральных структурах.

Этот шаг важен, потому что общее количество фосфора не обязательно отражает его доступность для жизни. Разделение позволило реконструировать древние биогеохимические циклы и понять, как они влияли на атмосферный кислород. Беккер поясняет: «Мы можем отделить фосфор, которым пользовались организмы, от того, который был заперт», — что даёт более чёткое представление о уровнях питательных веществ в древних океанах, чем ранее получалось.

В более широком контексте исследования подчеркивают, что история кислорода Земли могла оказаться более сложной, чем думали ранее. Вместо того чтобы после Великого окислительного события кислород оставался сравнительно стабильным, его уровни могли подниматься и падать намного резче. Такие колебания, по предположению авторов, продолжались на протяжении десятков миллионов лет, влияли на состав океанических вод и перемещение важных нутриентов в морских средах.

Полученные данные могут повлиять на понимание эволюции ранней жизни и на трактовку того, почему появление сложных организмов заняло так много времени после того, как кислород стал заметным элементом атмосферы. В контексте нынешних изменений климата исследователи также отмечают, что снижение кислорода в некоторых частях океанов может нарушать рециркуляцию фосфора и снижать доступность этого элемента для морских организмов, что может ослаблять биопродуктивность и устойчивость экосистем. Именно поэтому реконструкция древних нитей кислородного цикла становится важной задачей и при этом важна в отношении поиска признаков жизни в других мирах, где есть океаны.

Как заключение, учёные полагают, что взаимосвязь между кислородом, питательными веществами и биологическими процессами в истории Земли позволяла кислороду и жизни развиваться взаимно усиливая друг друга — и это сегодня помогает по‑новому взглянуть на будущее планеты и на поиски признаков жизни за пределами Земли, где океаны могут быть ключевым фактором обитаемости.