Появление кислорода на земле: ПРОИСХОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО КИСЛОРОДА

Содержание

Ученые выяснили, когда в атмосфере Земли появился кислород

https://ria.ru/20210405/kislorod-1604339071.html

Ученые выяснили, когда в атмосфере Земли появился кислород

Ученые выяснили, когда в атмосфере Земли появился кислород — РИА Новости, 21.04.2021

Ученые выяснили, когда в атмосфере Земли появился кислород

Новые данные, полученные при изучении изотопных отношений в породах палеопротерозойского возраста Южной Африки, указывают на то, что кислород стал постоянным… РИА Новости, 21.04.2021

2021-04-05T18:07

2021-04-21T10:31

наука

земля — риа наука

геология

биология

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/151701/76/1517017649_0:92:1772:1089_1920x0_80_0_0_f2d226e43ab94f2dfa1b480c54db9b81.jpg

МОСКВА, 5 апр — РИА Новости. Новые данные, полученные при изучении изотопных отношений в породах палеопротерозойского возраста Южной Африки, указывают на то, что кислород стал постоянным компонентом атмосферы Земли 2,22 миллиарда лет назад, что на 200 миллионов лет позже, чем предполагали ранее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.Считается, что изначально атмосфера Земли бела бескислородной, а примерно 2,43–2,45 миллиарда лет назад произошло ее существенное обогащение кислородом. Это событие, которые ученые называют кислородной революцией, сделало возможным развитие жизни на Земле в том виде, в котором мы ее знаем.Исследователи из США, Великобритании и Дании проанализировали состав морских осадочных пород из Южной Африки, относящихся по возрасту своего образования к палеопротерозою — от 2,5 до 1,6 миллиарда лет. По изотопным сигнатурам серы, железа и углерода ученые смогли детально восстановить картину изменения окислительно-восстановительных условий в океане того периода, а отсюда — и определить уровни кислорода в древней атмосфере.Оказалось, что первоначальное обогащение кислородом, до значений порядка 10-5 от современного, действительно произошло около 2,43 миллиарда лет назад. Но затем уровень O2 неоднократно то падал, то снова повышался, прежде чем примерно 2,22 миллиарда лет назад он стал постоянным компонентом атмосферы Земли. По мнению авторов, эти колебания позволяют объяснить экстремальные климатические изменения, имевшие место в раннем протерозое, когда за относительно короткий с геологической точки зрения период Земля пережила четыре оледенения — вся планета целиком покрывалась льдом и снегом на несколько миллионов лет.Ученые объясняют это резкими изменениями соотношения атмосферных газов — кислорода с одной стороны, и парниковых газов, таких как метан и углекислый газ — с другой. Известно, что чем выше уровень последних, тем сильнее парниковый эффект, с которым связано потепление на планете. Смещение в сторону кислорода, наоборот, приводит к резкому похолоданию и наступлению очередного ледникового периода.Возможно, считают исследователи, основными источниками парниковых газов были вулканы, и периоды потепления связаны с активными фазами вулканизма. А когда вулканы успокаивались, снова наступало оледенение.»Перед началом этой работы мы задались вопросом, почему произошли четыре ледниковых события, если кислород уже был постоянным компонентом атмосферы, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова одного из авторов исследования Андрея Беккера (Andrey Bekker) из департамента наук о Земле и планетах. — Мы обнаружили, что окончательный подъем кислорода на самом деле произошел только после четвертого, последнего оледенения эры палеопротерозоя, а не до него, и это, в нашем понимании, и есть решение главной загадки».Таким образом, считают ученые, кислородная революция, после которой наступил длительный период экологической стабильности, произошла на 200 миллионов лет позже, чем считали ранее. «Раньше мы думали, что после того как уровень кислорода поднялся, он больше никогда не возвращался к низким уровням, — продолжает Беккер. — Теперь мы выяснили, что он колебался, опускаясь до очень низкого уровня, и это может иметь драматические последствия с точки зрения понимания событий вымирания и эволюции жизни».»Мы не сможем понять причины и последствия атмосферной оксигенации — наиболее значимого фактора, влияющего на пригодность планеты для жизни, — если мы не узнаем, когда на самом деле произошло постоянное насыщение атмосферы кислородом», — говорит первый автор статьи Саймон Поултон (Simon Poulton), биогеохимик из Университета Лидса в Великобритании. Второе значимое повышением содержания кислорода в атмосфере произошло полтора миллиарда лет спустя, на рубеже протерозоя и кембрийского периода, обеспечив условия для развития сложных форм жизни.

https://ria.ru/20210301/metan-1599469669.html

https://ria.ru/20210225/golfstrim-1598932547.html

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/151701/76/1517017649_99:0:1674:1181_1920x0_80_0_0_78b0b6f3c1886ee56b1a8aef3c2829e9.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

земля — риа наука, геология, биология

Наука, Земля — РИА Наука, геология, биология

МОСКВА, 5 апр — РИА Новости. Новые данные, полученные при изучении изотопных отношений в породах палеопротерозойского возраста Южной Африки, указывают на то, что кислород стал постоянным компонентом атмосферы Земли 2,22 миллиарда лет назад, что на 200 миллионов лет позже, чем предполагали ранее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Считается, что изначально атмосфера Земли бела бескислородной, а примерно 2,43–2,45 миллиарда лет назад произошло ее существенное обогащение кислородом. Это событие, которые ученые называют кислородной революцией, сделало возможным развитие жизни на Земле в том виде, в котором мы ее знаем.

Исследователи из США, Великобритании и Дании проанализировали состав морских осадочных пород из Южной Африки, относящихся по возрасту своего образования к палеопротерозою — от 2,5 до 1,6 миллиарда лет. По изотопным сигнатурам серы, железа и углерода ученые смогли детально восстановить картину изменения окислительно-восстановительных условий в океане того периода, а отсюда — и определить уровни кислорода в древней атмосфере.

Оказалось, что первоначальное обогащение кислородом, до значений порядка 10^-5 от современного, действительно произошло около 2,43 миллиарда лет назад. Но затем уровень O₂ неоднократно то падал, то снова повышался, прежде чем примерно 2,22 миллиарда лет назад он стал постоянным компонентом атмосферы Земли.

По мнению авторов, эти колебания позволяют объяснить экстремальные климатические изменения, имевшие место в раннем протерозое, когда за относительно короткий с геологической точки зрения период Земля пережила четыре оледенения — вся планета целиком покрывалась льдом и снегом на несколько миллионов лет.

1 марта 2021, 23:00Наука

Установлен источник выбросов метана на арктическом шельфе

Ученые объясняют это резкими изменениями соотношения атмосферных газов — кислорода с одной стороны, и парниковых газов, таких как метан и углекислый газ — с другой. Известно, что чем выше уровень последних, тем сильнее парниковый эффект, с которым связано потепление на планете. Смещение в сторону кислорода, наоборот, приводит к резкому похолоданию и наступлению очередного ледникового периода.

Возможно, считают исследователи, основными источниками парниковых газов были вулканы, и периоды потепления связаны с активными фазами вулканизма. А когда вулканы успокаивались, снова наступало оледенение.

«Перед началом этой работы мы задались вопросом, почему произошли четыре ледниковых события, если кислород уже был постоянным компонентом атмосферы, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова одного из авторов исследования Андрея Беккера (Andrey Bekker) из департамента наук о Земле и планетах. — Мы обнаружили, что окончательный подъем кислорода на самом деле произошел только после четвертого, последнего оледенения эры палеопротерозоя, а не до него, и это, в нашем понимании, и есть решение главной загадки».

Таким образом, считают ученые, кислородная революция, после которой наступил длительный период экологической стабильности, произошла на 200 миллионов лет позже, чем считали ранее.

«Раньше мы думали, что после того как уровень кислорода поднялся, он больше никогда не возвращался к низким уровням, — продолжает Беккер. — Теперь мы выяснили, что он колебался, опускаясь до очень низкого уровня, и это может иметь драматические последствия с точки зрения понимания событий вымирания и эволюции жизни».

«Мы не сможем понять причины и последствия атмосферной оксигенации — наиболее значимого фактора, влияющего на пригодность планеты для жизни, — если мы не узнаем, когда на самом деле произошло постоянное насыщение атмосферы кислородом», — говорит первый автор статьи Саймон Поултон (Simon Poulton), биогеохимик из Университета Лидса в Великобритании.

Второе значимое повышением содержания кислорода в атмосфере произошло полтора миллиарда лет спустя, на рубеже протерозоя и кембрийского периода, обеспечив условия для развития сложных форм жизни.

25 февраля 2021, 19:00Наука

Зафиксировано беспрецедентное ослабление Гольфстрима

Ученые выяснили, как появились первые запасы кислорода на Земле

https://ria.ru/20170918/1505012927.html

Ученые выяснили, как появились первые запасы кислорода на Земле

Ученые выяснили, как появились первые запасы кислорода на Земле — РИА Новости, 18.09.2017

Ученые выяснили, как появились первые запасы кислорода на Земле

. Доля кислорода в атмосфере Земли оставалась крайне низкой после появления первых фотосинтезирующих микробов по той причине, что породы древних континентов… РИА Новости, 18.09.2017

2017-09-18T18:10

2017-09-18T20:44

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1505012927.jpg?10676203961505756648

канада

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

земля — риа наука, канада

Земля — РИА Наука, Наука, Канада

МОСКВА, 18 сен – РИА Новости. Доля кислорода в атмосфере Земли оставалась крайне низкой после появления первых фотосинтезирующих микробов по той причине, что породы древних континентов активно поглощали его молекулы, не давая им накопиться в океане и воздухе, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience.

«Насыщение атмосферы Земли кислородом могло произойти в любой момент. Все, что для этого было нужно – «правильный» химический состав континентов. Мы обнаружили, что химический состав континентов разительно поменялся как раз в то время, когда кислород начал скапливаться в водах первичного океана планеты», — рассказывает Матийс Смит (Matthijs Smit) из университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада).

18 января 2017, 14:58

Ученые нашли намеки на полное исчезновение жизни на Земле в прошломИзучение так называемой кислородной катастрофы в далеком прошлом Земли показало, что жизнь могла несколько раз полностью исчезать и заново зарождаться на нашей планете.

Как сегодня считают ученые, Земля в далеком прошлом мало в чем напоминала себя сегодня – в ее атмосфере отсутствовал кислород и было много углекислоты и метана. Ее воды, напоминавшие по температуре и консистенции кипящий густой суп, населяли причудливые бактерии-экстремофилы, следы которых в виде отложений своеобразных «одеял» из колоний микробов, ученые часто находят в древнейших породах Земли.

Когда точно зародилась жизнь, пока никому не известно – существуют противоречивые свидетельства того, что она существовала уже 3,3-3,7 миллиарда лет назад или даже 4 миллиарда лет назад, фактически сразу после завершения формирования Земли и Луны и окончания их «бомбардировки» крупными астероидами и кометами, принесшими «кирпичики жизни» на Землю.

Эта жизнь, как рассказывает Смит, просуществовала до события, которое геологи называют «великой кислородной катастрофой». Примерно 2,4-2,32 миллиарда лет назад концентрация кислорода в атмосфере резко выросла, повысившись с 0,0001% до современных 21%. Причиной ее возникновения сегодня считаются первые фотосинтезирующие организмы, цианобактерии, очистившие атмосферу от СО2 и заполнившие ее кислородом.

2 февраля 2017, 13:48

Ученые выяснили, что «заморозило» развитие жизни на юной Земле

С другой стороны, как отмечают ученые, остается непонятным то, что именно сдерживало рост концентрации кислорода в воде и в атмосфере Земли в те сотни миллионов лет, когда цианобактерии уже существовали в первичном океане планеты.

Некоторые ученые предполагают, что «лишний» кислород поглощался первичными континентальными породами Земли, сформировавшимися в то время, когда кислорода в ее атмосфере фактически не было, а другие считают, что роль «поглотителя» кислорода на себя брали останки живых организмов, которые скапливались на дне океанов Земли сотни миллионов лет.

Смит и его коллега Клаус Мезгер (Klaus Mezger) из Бернского университета (Швейцария) нашли новые доказательства в пользу первой гипотезы, проанализировав химический состав десятков тысяч образцов коры, сформировавшихся задолго до начала «кислородной катастрофы» и в то время, когда доля кислорода в атмосфере росла максимальными темпами.

15 марта 2017, 16:28

Ученые выяснили, почему растения не превратили Землю в ледышку

Для этого анализа ученые применили остроумную методику – они измерили доли хрома и урана в этих породах, по-разному реагирующих на процесс разрушения горных пород кислородом и водой. Соответственно, чем больше эти различия, тем дольше и сильнее стихии действовали на эти породы, что позволяет понять, какую роль континенты Земли играли в появлении ее запасов кислорода.

Как показали эти замеры, доли хрома и кислорода в континентальных породах начали меняться примерно три миллиарда лет назад, что совпадает по времени с появлением первых фотосинтезирующих организмов. Примерно за 300 миллионов лет до «кислородной катастрофы» их пропорция резко меняется, что указывает на столь же резкую смену одного типа пород на другой, почти не поглощавший кислород. Именно это, как считают ученые, и было причиной начала «кислородной катастрофы», резко изменившей облик Земли и ее первых обитателей и сделавшей ее пригодной для существования человека и других современных живых существ.

Кислородная революция и Земля-снежок

Сергей Ястребов
«Химия и жизнь» №9, 2016

Продолжение. Предшествующая статья из цикла: «Семь порогов в истории жизни» (№8, 2016).

Обоюдоострый меч О

₂

Биологические свойства молекулярного кислорода (O₂) как минимум двуедины. Кислород — мощный окислитель, с помощью которого можно получить много полезной энергии, и в то же время сильный яд, свободно проходящий сквозь клеточные мембраны и разрушающий клетки, если с ним неаккуратно обращаться. Иногда говорят, что кислород — это обоюдоострый меч (Current Biology, 2009, 19, 14, R567–R574). У всех организмов, имеющих дело с кислородом, обязательно есть и специальные ферментные системы, гасящие его химическое воздействие. Те, у кого таких ферментных систем нет, обречены быть строгими анаэробами, выживающими только в бескислородной среде. На современной Земле это некоторые бактерии и археи.

Практически весь кислород на Земле имеет биогенное происхождение, то есть выделяется живыми существами (конечно, мы сейчас говорим о свободном кислороде, а не об атомах кислорода, входящих в состав других молекул). Главный источник O₂ — это кислородный фотосинтез; других известных реакций, способных давать его в сравнимых количествах, просто нет. Из школьного курса биологии мы знаем, что фотосинтезом называется синтез глюкозы C₆H₁₂O₆ из углекислоты CO₂ и воды H₂O, происходящий с помощью энергии света. Главным «действующим лицом» тут служит углекислый газ, который восстанавливается водой; кислород же в этой реакции — не что иное, как побочный продукт, отход. Менее широко известно, что фотосинтез может и не приводить к выделению кислорода, если вместо воды в нем используется в качестве восстановителя какое-нибудь другое вещество — например, сероводород H₂S, свободный водород H₂ или некоторые соединения железа; такой фотосинтез называется бескислородным, есть несколько разных его вариантов.

Практически наверняка бескислородный фотосинтез появился гораздо раньше кислородного. Поэтому в первый миллиард лет существования жизни (а скорее всего, дольше) фотосинтез хотя и шел, но никакого насыщения атмосферы Земли кислородом не вызывал. Содержание кислорода в атмосфере в те времена составляло не больше 0,001% от современного — попросту говоря, это значит, что его там толком не было.

Все изменилось, когда на сцену вышли синезеленые водоросли, или цианобактерии. Впоследствии эти существа стали предками пластид, фотосинтезирующих органелл клеток эукариот (напомним, что эукариотами называются организмы с клеточными ядрами, в отличие от прокариот — обладателей безъядерных клеток). Цианобактерии — очень древняя эволюционная ветвь. По меркам земной истории они удивительно неизменны. Например, широко распространенная в современных водоемах синезеленая водоросль осциллятория (Oscillatoria) имеет ископаемых родственников, живших 800 миллионов лет назад, причем они практически неотличимы от современных осцилляторий (Ecology of Cyanobacteria II. Their Diversity in Space and Time, Springer, 2012, 15–36). Таким образом, осциллятория — впечатляющий пример живого ископаемого. Но самые первые цианобактерии появились намного раньше нее — это подтверждается палеонтологическими данными.

Поначалу цианобактерии не были многочисленны, потому что освоенный ими кислородный фотосинтез не давал никаких серьезных преимуществ по сравнению с бескислородным, которым владели другие группы микробов. Но химическое окружение этих микробов постепенно менялось. Наступил момент, когда «сырья» для бескислородного фотосинтеза просто перестало хватать. И вот тогда пробил час цианобактерий.

Кислородный фотосинтез имеет одно большое преимущество — совершенно неограниченный запас исходного реагента-восстановителя (воды) и один большой недостаток — высокую токсичность побочного продукта (кислорода). Неудивительно, что поначалу этот тип обмена не был «популярен». Зато при малейшем дефиците других субстратов, кроме воды, обладатели кислородного фотосинтеза должны сразу получать конкурентное преимущество, что и произошло. После этого наступила эпоха длиной примерно в миллиард лет, в течение которой облик Земли определяли в первую очередь цианобактерии. Недавно ее даже предложили неофициально назвать в их честь «цианозоем» (M. Barbieri, Code Biology. A New Science of Life, Springer, 2015, 75–91).

Именно из-за цианобактерий 2,4 миллиарда лет назад началась кислородная революция, она же кислородная катастрофа, или Великое окислительное событие (Great Oxidation Event, GOE). Строго говоря, это событие не было ни мгновенным, ни абсолютно уникальным (Nature, 2014, 506, 7488, 307–315). Короткие всплески концентрации кислорода, «кислородные дуновения», случались и раньше, это палеонтологически зафиксировано. И все же 2,4 миллиарда лет назад произошло нечто новое. За короткое по меркам земной истории время (считанные десятки миллионов лет) концентрация кислорода в атмосфере выросла примерно в тысячу раз и осталась на этом уровне; до прежних ничтожных величин она не опустилась больше никогда. Биосфера необратимо стала кислородной.

Для подавляющего большинства древних прокариот такой уровень кислорода был смертельно опасен. Неудивительно, что первым результатом кислородной революции стало массовое вымирание. Выжили в основном те, кто успел создать защищающие от кислорода ферменты, а иногда еще и толстые клеточные стенки в придачу (в том числе это пришлось сделать и самим цианобактериям). Есть основания полагать, что в первые 100–200 миллионов лет «нового кислородного мира» кислород был для живых организмов только ядом и ничем больше. А вот потом ситуация поменялась. Ответом биоты на кислородный вызов стало появление бактерий, которые включили кислород в цепочку реакций, разлагающих глюкозу, и таким образом начали использовать его для получения энергии.

Сразу оказалось, что кислородное окисление глюкозы (дыхание) в энергетическом плане намного эффективнее бескислородного (брожения). Оно дает в несколько раз больше свободной энергии на одну молекулу глюкозы, чем любой сколь угодно усложненный вариант бескислородного обмена. При этом начальные этапы распада глюкозы у пользователей дыхания и брожения остались общими: кислородное окисление послужило всего лишь надстройкой над уже имевшимся древним биохимическим механизмом, который сам по себе в кислороде не нуждался.

Группа микробов, которая освоила рискованное, но эффективное получение энергии с помощью кислорода, называется протеобактериями. Согласно общепринятой сейчас теории, именно от них произошли дыхательные органеллы эукариотных клеток — митохондрии.

По генетическим данным, ближайший современный родственник митохондрий — пурпурная спиральная альфа-протеобактерия Rhodospirillum rubrum (Molecular Biology and Evolution, 2004, 21, 9, 1643–1660). Родоспириллум обладает и дыханием, и брожением, и бескислородным фотосинтезом, в котором вместо воды используется сероводород, и может переключаться между этими тремя типами обмена в зависимости от внешних условий. Несомненно, такой симбионт — то есть в данном случае внутренний сожитель — был очень полезен предку эукариот.

Более того, многие современные ученые считают, что симбиоз древних архей с протеобактериями — предками митохондрий — был толчком к самому образованию эукариотной клетки (Евгений Кунин. Логика случая. М.: Центрполиграф, 2014). Эта гипотеза называется «раннемитохондриальной». Она предполагает, что разделение будущей эукариотной клетки на цитоплазму и ядро произошло только после внедрения в нее протеобактериального симбионта. Более старый «позднемитохондриальный» сценарий, согласно которому протеобактерия была попросту проглочена готовой эукариотной клеткой (самостоятельно возникшей из клетки археи), сейчас выглядит куда менее вероятным. На самом деле обе клетки — и архейная, и протеобактериальная — были в процессе объединения серьезно «пересобраны», породив своего рода химеру с новыми свойствами. Эта химера и стала эукариотной клеткой; молекулярные компоненты архейного и протеобактериального происхождения в ней сильно перемешались, разделив между собой функции («Палеонтологический журнал», 2005, 4, 3–18). Без протеобактерий эукариоты не возникли бы. А это означает, что их появление было прямым следствием кислородной революции.

В свете сказанного почти не выглядят преувеличением слова двух современных крупных ученых, палеонтолога и геолога: «Все согласны с тем, что эволюция синезеленых водорослей была самым значительным биологическим событием на нашей планете (даже более значительным, чем развитие эукариотических клеток и появление многоклеточных организмов)» (Питер Уорд, Джо Киршвинк. Новая история происхождения жизни на Земле. СПб: ИД «Питер», 2016). Действительно, знакомый нам мир животных и растений сейчас не существовал бы, если бы не цианобактерии и вызванный ими кризис.

Эпохи жизни

Вся история Земли делится на четыре огромных промежутка, именуемых эонами (это выше, чем эра). Названия эонов следующие: катархей, или гадей (4,6–4,0 млрд лет назад), архей (4,0–2,5 млрд лет назад), протерозой (2,5–0,54 млрд лет назад) и фанерозой (начался 0,54 млрд лет назад и продолжается сейчас). Это деление будет нам постоянно помогать, оно действительно удобно. Сделаем оговорку, что почти во всех подобных случаях запоминать стоит не временные границы, а последовательность эпох и относящихся к ним событий: это гораздо важнее. Исключение можно сделать разве что для двух-трех основополагающих дат вроде возраста Земли.

Катархей — это так называемая догеологическая эпоха, от которой не осталось никаких «нормальных» горных пород, расположенных послойно. Классические геологические и палеонтологические методы, основанные как раз на сравнении последовательных слоев, там не работают. Оставшиеся от катархея объекты — в основном маленькие зерна циркона, те самые, в которых недавно нашли предположительно биогенный углерод. О катархейской жизни (если она была) известно крайне мало.

В архее Земля принадлежит прокариотам — бактериям и археям (только не надо путаницы, совпадение корней в названии геологической эры «архей» и группы микробов «археи» на самом деле случайно). Граница архея и протерозоя приходится примерно на момент одного из сильных «кислородных дуновений», предшествующих кислородной революции. Сама кислородная революция произошла в начале протерозоя.

Протерозой — это эпоха кислорода и эукариот. С датировкой происхождения эукариот связан интересный парадокс. Дело в том, что более-менее надежно определимые многоклеточные эукариоты появляются в палеонтологической летописи заметно раньше, чем столь же надежно определимые одноклеточные. Нитчатая водоросль Grypania spiralis, которую обычно считают эукариотом, появилась 2,1 миллиарда лет назад (Australasian Journal of Palaeontology, 2016, doi: 10.1080/ 03115518.2016.1127725). Справедливости ради нужно сказать, что главным доводом за эукариотную природу грипании служит ее крупный размер — все остальные признаки не дают уверенности, что это не гигантская цианобактерия (Palaeontology, 2015, 58, 1, 5–17). Но дело в том, что эта находка не единственная. Самым древним известным эукариотом сейчас считается грибообразный организм Diskagma buttonii возрастом 2,2 миллиарда лет (Precambrian Research, 2013, 235, 71–87). А еще есть загадочные крупные спиралевидные существа — скорее всего, водоросли, возраст остатков которых — не меньше 2,1 миллиарда лет, как и у грипании (Nature, 2010, 466, 7302, 100–104). Зато самые ранние одноклеточные, однозначно определяемые как эукариоты, имеют возраст всего 1,6 миллиарда лет (Philosophical Transactions of the Royal Society B, 2006, 361, 1470, 1023-1038). Это, разумеется, не значит, что многоклеточные эукариоты действительно появились раньше одноклеточных, — такое предположение противоречит всем имеющимся молекулярным данным. Одноклеточные просто хуже сохраняются, да и признаков, по которым можно определить организм, у них меньше.

Тем не менее из таких датировок следуют очень важные выводы. Вспомним, что дата кислородной революции — 2,4 миллиарда лет назад. Следовательно, мы знаем, что всего через 200 миллионов лет после нее в палеонтологической летописи появляются не просто эукариоты, а многоклеточные эукариоты. Это означает, что первые этапы эволюции эукариот были пройдены по меркам глобальной истории очень быстро. Безусловно, эукариотной клетке потребовалось время, чтобы оформить симбиоз с предками митохондрий, создать ядро, усложнить цитоскелет — внутриклеточную систему опорных структур. Но когда эти процессы закончились, создать первые многоклеточные организмы удалось почти сразу. Никаких дополнительных приспособлений на уровне клетки это не потребовало. Любая эукариотная клетка уже имеет в наличии полный набор молекулярных элементов, нужных, чтобы построить из таких клеток многоклеточное тело (хотя бы относительно простое). Разумеется, все эти элементы не менее полезны и для жизни одиночной клетки, иначе они бы просто не возникли. Общий предок эукариот, без сомнений, был одноклеточным, и очень многим его потомкам многоклеточность никогда не пригодилась. Примеры современных одноклеточных эукариот — амебы, эвглены, инфузории — мы знаем благодаря школьным учебникам, но на самом деле их гораздо больше.

Кислородная революция имела еще одно важное последствие, коснувшееся состава атмосферы. В архейской атмосфере было много азота (как и сейчас), а также углекислого газа и метана (гораздо больше, чем сейчас). Углекислый газ и метан очень хорошо поглощают инфракрасное излучение и тем самым удерживают в атмосфере Земли тепло, мешая ему уходить в космос. Это называется парниковым эффектом. Причем считается, что от метана парниковый эффект минимум раз в 20–30 сильнее, чем от углекислого газа. А в архейские времена метана в атмосфере Земли было примерно в 1000 раз больше, чем сейчас, и это обеспечивало довольно теплый климат.

Тут вмешивается еще и астрономия. Согласно общепринятой теории эволюции звезд, светимость Солнца медленно, но непрерывно растет. В архее она составляла всего 70–80% от современной — понятно, почему парниковый эффект был важен для поддержания планеты в тепле. Но после кислородной революции атмосфера стала окислительной и почти весь метан (CH₄) превратился в углекислый газ (CO₂), эффективность которого как парникового газа гораздо ниже. Это вызвало катастрофическое гуронское оледенение, длившееся около 100 миллионов лет и в некоторые моменты охватившее всю Землю: на участках суши, которые тогда находились всего в нескольких градусах широты от экватора, найдены следы ледников (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2005, 102, 32, 11131–11136). Пик гуронского оледенения наступил 2,3 миллиарда лет назад. К счастью, оледенение не могло остановить тектоническую активность земной мантии; вулканы продолжали выбрасывать в атмосферу углекислый газ, и со временем его накопилось достаточно, чтобы восстановить парниковый эффект и растопить льды.

Однако главные климатические испытания были еще впереди.

Конец «скучного миллиарда»

За бурными событиями начала протерозоя последовал так называемый «скучный миллиард лет» (Boring Billion). В это время не происходило никаких оледенений, никаких резких перемен в составе атмосферы, никаких биосферных переворотов. Эукариотные водоросли жили в океанах, понемногу выделяя кислород. Их мир был по-своему разнообразным и сложным. Например, из эпохи «скучного миллиарда» известны многоклеточные красные и желтозеленые водоросли, удивительно похожие на своих современных родственников (Philosophical Transactions of the Royal Society B, 2006, 361, 1470, 1023–1038). Появляются в это время и грибы (Paleobiology, 2005, 31, 1, 165–182). А вот многоклеточные животные на просторах «скучного миллиарда лет» отсутствуют. Будем аккуратны: на нынешний момент никто не может с полной уверенностью утверждать, что многоклеточных животных тогда не было, но все данные на эту тему — в лучшем случае очень спорные (Precambrian Research, 2013, 235, 71–87).

В чем тут дело? Напрашивается мысль, что многоклеточность как таковая гораздо более совместима с образом жизни растения, чем животного. Любая клетка растения заключена в жесткую клеточную стенку, и нет сомнений, что это сильно облегчает регуляцию взаимного расположения клеток в сложном теле. Наоборот, клетки животных лишены клеточной стенки, их форма неустойчива, да еще и постоянно меняется при актах фагоцитоза, то есть поглощения пищевых частиц. Собрать из таких клеток целый организм — сложная задача. Если бы никаких многоклеточных животных не появилось вовсе, а биологами стали представители растений либо грибов, они, скорее всего, после изучения этой проблемы пришли бы к выводу, что сочетание многоклеточности с отсутствием клеточной стенки просто невозможно. Во всяком случае, это объясняет, почему многоклеточность много раз возникала в разных группах водорослей, но только один раз — у животных.

Есть и другая идея. В 1959 году канадский зоолог Джон Ральф Нерселл связал внезапное (как тогда считалось) появление животных в палеонтологической летописи с ростом концентрации кислорода в атмосфере (Nature, 1959, 183, 4669, 1170–1172). Животные, как правило, обладают активной подвижностью, которая требует столько энергии, что без кислородного дыхания им не обойтись. И кислорода нужно много. А в эпоху «скучного миллиарда» содержание О₂ в атмосфере почти наверняка не достигало 10% от современного уровня — минимума, который часто считают необходимым для поддержания животной жизни. Правда, эта подозрительно круглая цифра, скорее всего, завышена (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2014, 111, 11, 4168–4172). Подобные оговорки, однако, не мешают признать, что старая идея Нерселла как минимум не противоречит современным данным: предполагаемое начало эволюции многоклеточных животных весьма приближенно, но совпадает по времени с новым ростом концентрации атмосферного кислорода в конце протерозоя (Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2015, 46, 215–235). Это просто не могло не стать фактором, облегчившим появление животных: в конце-то концов, чем больше кислорода, тем лучше. Не надо только считать кислородный фактор строго единственным. Будем помнить, что и во времена, когда кислорода стало сколько угодно, никаких многократных попыток создания многоклеточности животного типа не отмечается. Этот эксперимент удался природе лишь один раз.

Уютная эпоха «скучного миллиарда лет» могла бы длиться еще долго, если бы в биологию не вмешалась география. Драматические события, героем которых стала сама планета, привлекали внимание ученых на протяжении полувека, но только лет 15 назад информацию о них удалось сложить в более-менее цельную картинку. Бросим на эту картинку беглый взгляд, начав, как и положено, с начала.

В 1964 году английский геолог Брайан Харленд опубликовал статью, в которой констатировал, что абсолютно на всех континентах есть следы древнего оледенения, относящегося к одному и тому же времени — позднему протерозою. Как раз в начале 60-х годов геологи научились определять прошлое положение континентов с помощью данных о намагниченности горных пород. Харленд собрал эти данные и увидел, что объяснить их можно только одним способом: предположив, что позднепротерозойское оледенение охватило сразу все широты Земли, то есть было всепланетным. Любые другие гипотезы выглядели еще менее правдоподобными (например, пришлось бы предполагать немыслимо быстрое перемещение полюсов, чтобы все земли по очереди накрывались полярной шапкой). Как сказал Шерлок Холмс во время поисков Джонатана Смолла, «отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался». Именно так Харленд и поступил. Написанная им с соавтором обстоятельная статья не претендует ни на какие сенсации — там просто честно изложены факты и выводы (Scientific American, 1964, 211, 2, 28–36). И все же гипотеза о всепланетном оледенении была для большинства ученых слишком смелой.

Буквально в те же годы теорией оледенений занялся известный геофизик, ленинградец Михаил Иванович Будыко. Он обратил внимание на то, что оледенение может саморазвиваться. Ледяной покров имеет высокую отражательную способность (альбедо), поэтому чем больше суммарная площадь ледников, тем большая доля солнечного излучения отражается обратно в космос, унося с собой тепло. А чем меньше Земля получает тепла, тем на ней становится холоднее, и площадь ледяного покрова в результате растет, повышая альбедо еще сильнее. Получается, что оледенение — это процесс с положительной обратной связью, то есть способный усиливать сам себя. А в таком случае должен существовать некоторый критический уровень оледенения, после которого оно будет нарастать, пока волны льда с Северного и Южного полюсов не схлопнутся на экваторе, полностью заключив планету в ледяной покров и понизив ее температуру на несколько десятков градусов. Будыко математически показал, что такое развитие событий возможно (Tellus, 1969, 21, 5, 611–619). Но он и понятия не имел, что в истории Земли оно несколько раз происходило! Потому что на тот момент Будыко и Харленд еще не читали друг друга.

Земля-снежок

Сейчас оледенение, которое открыл Харленд, принято называть эпохой «Земли-снежка» (Snowball Earth). Судя по всему, оно действительно было всепланетным. А главной его причиной считается резкое ослабление парникового эффекта из-за падения концентрации углекислого газа (который стал главным парниковым газом после того, как кислород «съел» почти весь метан). Фотосинтез и дыхание тут, скорее всего, ни при чем. Если кислородную революцию биота Земли устроила себе сама, то сейчас она оказалась жертвой внешнего фактора, совершенно небиологического по своей природе.

Дело в том, что оборот углекислого газа гораздо меньше зависит от живых существ, чем оборот кислорода. Основным источником атмосферного CO₂ на Земле до сих пор служат извержения вулканов, а основным стоком — процесс, который называется химическим выветриванием. Углекислый газ взаимодействует с горными породами, разрушая их, а сам при этом превращается в карбонаты (ионы HCO₃⁻ или CO₃²⁻). Последние хорошо растворяются в воде, зато в состав атмосферы больше не входят. И получается предельно простая зависимость. Если интенсивность работы вулканов превосходит интенсивность химического выветривания, атмосферная концентрация CO₂ растет. Если наоборот — падает.

На исходе «скучного миллиарда», 800 миллионов лет назад, почти вся земная суша входила в состав единственного суперконтинента под названием Родиния. По словам одного известного геолога, гигантские суперконтиненты, как и крупные империи в социальной истории Земли, всегда оказывались неустойчивыми (В. Е. Хаин, М. Г. Ломизе. Геотектоника с основами геодинамики. М: Изд-во МГУ, 1995). Поэтому неудивительно, что Родиния начала раскалываться. По краям разломов застывал извергнутый базальт, который сразу же становился объектом химического выветривания. Почвы тогда не было, и продукты выветривания легко сносились в океан. В конце концов Родиния распалась на семь или восемь небольших — размером примерно с Австралию — континентов, которые стали дрейфовать в стороны друг от друга. Расход CO₂ на выветривание базальта привел к падению его уровня в атмосфере.

Вулканизм, которым распад суперконтинента неизбежно сопровождался, мог бы компенсировать это, если бы не одно случайное обстоятельство. В силу каких-то причуд дрейфа континентов и Родиния, и ее обломки находились у экватора, в теплом поясе, где химическое выветривание шло особенно быстро. Математические модели показывают, что именно по этой причине концентрация CO₂ опустилась ниже порога, за которым начинается оледенение (Nature, 2004, 428, 6980, 303–306). А когда оно началось, тормозить выветривание было уже поздно.

Надо признать, что положение континентов в позднем протерозое оказалось настолько неудачным (с точки зрения обитателей планеты), насколько это вообще возможно. Дрейф континентов управляется потоками вещества земной мантии, динамика которых, по сути, неведома. Но мы знаем, что в данном случае эти потоки собрали всю земную сушу в единый континент, находящийся точно на экваторе и вытянутый по широте. Если бы он оказался на одном из полюсов или был вытянут с севера на юг, начавшееся оледенение закрыло бы часть пород от выветривания и тем самым приостановило уход углекислого газа из атмосферы — тогда процесс мог затормозиться. Как раз такую ситуацию мы наблюдаем сейчас, когда есть ледяные щиты Антарктиды и Гренландии (Scientific American, 1999, 9, 38). А в конце протерозоя почти все крупные участки суши находились близко к экватору — и были обнажены до того момента, когда северный и южный ледяные покровы сомкнулись. Земля стала ледяным шаром.

На самом деле эпизодов «Земли-снежка» было не меньше трех. Первый из них относился еще к гуронскому оледенению (которое, как мы помним, произошло не из-за углекислого газа, а из-за метана). Потом в течение более чем миллиарда лет никаких оледенений не было совсем. А затем последовали еще два разделенных небольшим перерывом всепланетных оледенения, одно из которых длилось примерно 60 миллионов лет, другое — примерно 15 миллионов лет. Именно их открыл Брайан Харленд. Геологический период, охватывающий эти оледенения, называют криогением (он является частью протерозоя).

О живой природе криогения известно мало. Климат тогда на всей Земле был, по нынешним меркам, антарктическим. Большую часть Мирового океана покрывал километровый слой льда, так что интенсивность фотосинтеза не могла быть высокой. Свет, неожиданно ставший ценнейшим ресурсом, попадал в океан только местами, сквозь трещины, полыньи или небольшие участки тонкого льда. Удивительно, что некоторые многоклеточные организмы сумели пережить криогений, совершенно не изменившись, — например, красные водоросли. Они и сейчас приспособлены к тому, чтобы использовать очень слабый свет, проникающий на такую глубину, где уже не живут никакие другие фотосинтезирующие существа (Ю. Т. Дьяков. Введение в альгологию и микологию. М.: Изд-во МГУ, 2000). Никуда не делся и одноклеточный планктон. Содержание кислорода в криогениевом океане сильно упало, поэтому жизнь на его дне, скорее всего, была в основном анаэробной, но подробности этого от нас пока скрыты.

Окончания эпизодов «Земли-снежка» тоже по-своему драматичны. Во время всепланетных оледенений все процессы, связанные с поглощением больших объемов углекислого газа, в буквальном смысле замораживались. А между тем вулканы (работу которых никто не останавливал) выбрасывали и выбрасывали CO₂ в атмосферу, постепенно доводя его концентрацию до огромных величин. В какой-то момент ледяной щит уже не мог сопротивляться парниковому эффекту, и тогда начинался лавинообразный процесс разогрева планеты. Буквально за несколько тысяч лет — то есть геологически за мгновение — весь лед таял, освободившаяся вода заливала значительную часть суши мелкими окраинными морями, а температура земной поверхности, судя по расчетам, подскакивала до 50°С (Engineering and Science, 2005, 4, 10–20). И только после этого начинался постепенный возврат Земли к «нормальному» внеледниковому состоянию. За время криогения весь этот цикл был пройден минимум дважды.

Продолжение в следующем номере.

Исследование указывает время первого появления кислорода в атмосфере Земли | MIT News

Сегодня 21 процент воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного кислорода. Но этот газ не всегда был в таком достаточном количестве для поддержания жизни, и фактически практически отсутствовал в атмосфере в течение первых 2 миллиардов лет истории Земли. Когда же тогда кислород впервые накопился в атмосфере?

У ученых Массачусетского технологического института теперь есть ответ. В статье, опубликованной сегодня в Science Advances команда сообщает, что атмосфера Земли испытала первый значительный необратимый приток кислорода еще 2,33 миллиарда лет назад. Этот период знаменует собой начало Великого события оксигенации, за которым последовали дальнейшие увеличения позже в истории Земли.

Ученые также определили, что это первоначальное увеличение содержания кислорода в атмосфере, хотя и небольшое, произошло в течение всего от 1 до 10 миллионов лет и вызвало каскад событий, которые в конечном итоге привели к появлению многоклеточной жизни.

«Это начало очень долгого периода, кульминацией которого стала сложная жизнь», — говорит Роджер Саммонс, старший автор статьи и профессор кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах (EAPS) Массачусетского технологического института. «Животным, подобным тем, что мы имеем сегодня, понадобилось еще примерно 1,7 миллиарда лет, чтобы эволюционировать. Но присутствие молекулярного кислорода в океане и атмосфере означает, что организмы, дышащие кислородом, могут процветать».

Соавторами Summons из Массачусетского технологического института являются ведущий автор и постдокторант Генминг Луо, а также доцент EAPS Шухей Оно и аспирант Дэвид Ван. Другими соавторами являются профессора Николас Бьюкес из Йоханнесбургского университета в Южной Африке и Шучэн Се из Китайского университета геонаук.

Дуновения в воздухе

По большей части ученые согласны с тем, что кислород, хотя его и не хватает в атмосфере, вероятно, накапливался в океанах как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий еще 3 миллиарда лет назад. Однако, по словам Саммонса, кислород в древнем океане «был бы мгновенно поглощен» голодными микробами, двухвалентным железом и другими поглотителями, не давая ему улетучиваться в атмосферу.

«Возможно, были более ранние и временные «дуновения» кислорода в атмосфере, но их количество и продолжительность в настоящее время невозможно измерить», — говорит Саммонс.

Ситуация изменилась после Великого события насыщения кислородом (ВОК), периода, который, по мнению ученых, положил начало постоянному присутствию кислорода в атмосфере. Предыдущие оценки помещали начало GOE примерно в 2,3 миллиарда лет назад, хотя и с неопределенностью от десятков до сотен миллионов лет.

«Датирование этого события до сих пор было довольно неточным, — говорит Саммонс.

Переход, закрепленный булавками

Чтобы получить более точное время для GOE, Луо сначала проанализировал породы примерно этого периода, ища конкретную структуру изотопов серы. Когда вулканы извергаются, они выделяют сернистые газы, которые под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения могут фракционироваться химически и изотопно. Структура изотопов, образующихся в этом процессе, зависит от того, присутствовал ли кислород выше определенного порога.

Луо стремился определить главный переход в определенной структуре изотопов серы, называемой массовой независимой фракцией изотопов серы (S-MIF), чтобы определить, когда кислород впервые появился в атмосфере Земли. Для этого он сначала просмотрел керны отложений, собранные Оно во время предыдущей экспедиции в Южную Африку.

«Генминг — очень упорный и дотошный парень, — говорит Саммонс. «Он обнаружил, что породы из глубины ядра имеют S-MIF, а породы, расположенные неглубоко в ядре, не имеют S-MIF, но у него не было ничего промежуточного. Поэтому он вернулся в Южную Африку».

Там он смог взять образцы из остальной части осадочного ядра и двух других поблизости и определил, что переход S-MIF, отмечающий постоянное прохождение кислородного порога, произошел 2,33 миллиарда лет назад, плюс-минус 7 миллионов лет назад. лет, гораздо меньшая неопределенность по сравнению с предыдущими оценками.

Получение «достойного запаса»

Команда также обнаружила большую фракцию изотопа серы-34, что указывает на всплеск уровня морских сульфатов примерно в это же время. Такой сульфат мог быть получен в результате реакции между атмосферным кислородом с сульфидными минералами в горных породах на суше и диоксидом серы из вулканов. Затем этот сульфат использовался обитающими в океане бактериями, дышащими сульфатом, для создания определенного образца серы-34 в последующих слоях отложений, которые были датированы от 1 до 10 миллионов лет после перехода S-MIF.

Результаты показывают, что начальное накопление кислорода в атмосфере было относительно быстрым. С момента своего первого появления 2,33 миллиарда лет назад кислород накапливался в достаточно высоких концентрациях, чтобы вызвать выветривание горных пород всего 10 миллионов лет спустя. Однако этот процесс выветривания привел бы к выщелачиванию большего количества сульфатов и некоторых металлов в водные пути и, в конечном счете, в океаны. Саммонс указывает, что пройдет довольно много времени, прежде чем земная система достигнет другого стабильного состояния за счет захоронения органического углерода и превысит более высокие пороговые значения кислорода, необходимые для поощрения дальнейшей биологической эволюции.

«Сложная жизнь не могла по-настоящему закрепиться на планете до тех пор, пока кислород не стал преобладать в глубинах океана», — говорит Саммонс. «И это заняло много-много времени. Но это первый шаг в каскаде процессов».

Тимоти Лайонс, профессор биогеохимии Калифорнийского университета в Риверсайде, говорит, что временная шкала роста содержания кислорода, составленная группой, «является важным вкладом в уточненное понимание совместной эволюции ранней жизни Земли и окружающей среды».

«Есть намеки из прошлых исследований раннего кратковременного накопления кислорода в атмосфере и поверхностных океанах до потери S-MIF, но необратимая потеря этого сигнала из геологических данных теперь воспринимается как дымящийся пистолет для того, что мы называют Великим событием окисления, когда заметные уровни кислорода стали постоянной особенностью нашей атмосферы», — говорит Лайонс, который не участвовал в исследовании. «Авторы оказали сообществу большую услугу, уточнив время проведения этого мероприятия».

Теперь, когда команда определила время GOE, Summons надеется, что другие применят новые даты, чтобы определить причину или механизм события. Одна из гипотез, которую команда надеется изучить, — это связь между внезапным и быстрым появлением кислорода и Землей-снежком, периодом, когда континенты и океаны Земли были в основном покрыты льдом. Теперь, благодаря повышенной точности в геохронологии, которую Саммонс в значительной степени приписывает профессору EAPS Сэмюэлю Боурингу, ученые могут начать определять механизмы, лежащие в основе основных событий в истории Земли, с более точными датами.

«Я думаю, именно настойчивость Сэма в отношении всей этой проблемы «нет дат, нет темпов» побуждает людей сосредоточиться на получении более качественных данных о времени и продолжительности геологических событий», — говорит Саммонс.

«Потому что другой большой вопрос заключается в том, почему у нас есть стабильный 21 процент кислорода в атмосфере Земли? Это замечательно. И мы должны это понимать».

Это исследование финансировалось Фондом Саймонса при дополнительной поддержке НАСА, Китайского национального фонда естественных наук и Национального научного фонда.

Больше кислорода благодаря многоклеточности — ScienceDaily

Новости науки

от исследовательских организаций

Дата:: 17 января 2013 г.
Источник:: Цюрихский университет
Резюме:: Появление свободного кислорода в атмосфере Земли привело к Великому Окислительному Событию. Это было вызвано цианобактериями, производящими кислород, которые развились в многоклеточные формы еще 2,3 миллиарда лет назад. Как показали биологи-эволюционисты, эта многоклеточность была связана с повышением уровня кислорода и, таким образом, сыграла важную роль в жизни на Земле, какой она является сегодня.
Поделиться:

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Появление свободного кислорода в атмосфере Земли привело к Великому Событию Окисления. Это было вызвано цианобактериями, производящими кислород, который использовался многоклеточными формами еще 2,3 миллиарда лет назад. Как показали биологи-эволюционисты из университетов Цюриха и Гётеборга, эта многоклеточность была связана с повышением уровня кислорода и, таким образом, сыграла важную роль в жизни на Земле, какой она является сегодня.

Цианобактерии принадлежат к древнейшим организмам Земли. Они все еще присутствуют сегодня в океанах и водах и даже в горячих источниках. Вырабатывая кислород и эволюционируя в многоклеточные формы, они сыграли ключевую роль в появлении организмов, дышащих кислородом. Это было продемонстрировано группой ученых под наблюдением и под руководством биологов-эволюционистов из Цюрихского университета. Согласно их исследованиям, цианобактерии развили многоклеточность примерно на миллиард лет раньше, чем эукариоты — клетки с одним настоящим ядром. Почти одновременно с появлением многоклеточных цианобактерий в океанах и в атмосфере Земли начался процесс оксигенации.

Многоклеточность уже 2,3 миллиарда лет назад

Ученые проанализировали филогению живых цианобактерий и объединили свои выводы с данными окаменелостей цианобактерий. Согласно результатам, зафиксированным Беттиной Ширмейстер и ее коллегами, многоклеточные цианобактерии возникли гораздо раньше, чем предполагалось ранее. «Многоклеточность развилась относительно рано в истории цианобактерий, более 2,3 миллиарда лет назад», — объясняет Ширрмейстер в своей докторской диссертации, написанной в Цюрихском университете.

Связь между многоклеточностью и Великим событием окисления

По мнению ученых, многоклеточность возникла незадолго до повышения уровня свободного кислорода в океанах и атмосфере. Это накопление свободного кислорода называется Великим событием окисления и считается самым значительным климатическим событием в истории Земли. Основываясь на своих данных, Ширмейстер и ее научный руководитель Хомаюн Багери считают, что существует связь между появлением многоклеточности и этим событием. Согласно Багери, многоклеточные формы жизни часто имеют более эффективный метаболизм, чем одноклеточные формы. Таким образом, исследователи предлагают теорию о том, что недавно развившаяся многоклеточность цианобактерий сыграла роль в запуске Великого события окисления.

Цианобактерии заняли свободные ниши

Повышенное производство кислорода вывело из равновесия первоначальную атмосферу Земли. Поскольку кислород был ядовит для большого количества анаэробных организмов, многие анаэробные типы бактерий были уничтожены, открывая экологические «ниши». Исследователи определили существование многих новых типов многоклеточных цианобактерий после фундаментального климатического события и пришли к выводу, что они заняли новые места обитания. «Морфологические изменения в микроорганизмах, таких как бактерии, могли коренным образом воздействовать на окружающую среду в такой степени, которую трудно себе представить», — заключает Ширрмайстер.

изменить мир к лучшему: спонсируемая возможность

История Источник:

Материалы предоставлены Университет Цюриха . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Ссылка на журнал :

Б. Э. Ширмейстер, Дж. М. де Вос, А. Антонелли, Х. К. Багери. Эволюция многоклеточности совпала с увеличением разнообразия цианобактерий и Великим событием окисления . Труды Национальной академии наук , 2013; DOI: 10.1073/pnas.1209927110

Цитировать эту страницу :

MLA
АПА
Чикаго

Цюрихский университет. «Великое событие окисления: больше кислорода благодаря многоклеточности». ScienceDaily. ScienceDaily, 17 января 2013 г. .

Цюрихский университет. (2013, 17 января). Великое событие окисления: больше кислорода благодаря многоклеточности. ScienceDaily . Получено 6 октября 2022 г. с сайта www.sciencedaily.com/releases/2013/01/130117084856.htm

Цюрихский университет. «Великое событие окисления: больше кислорода благодаря многоклеточности». ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2013/01/130117084856.htm (по состоянию на 6 октября 2022 г.).

Как Земля получила кислород

Земля из космоса.

Первая половина истории Земли была лишена кислорода, но она была далеко не безжизненной. Продолжаются споры о том, кто был главным биологическим игроком в этом докислородном мире, но исследователи находят подсказки в некоторых из самых старых осадочных пород на планете.

Большинство ученых считают, что количество атмосферного кислорода было незначительным примерно до 2,4 миллиарда лет назад, когда произошло Великое Событие Окисления (GOE). Этот, казалось бы, внезапный скачок уровня кислорода почти наверняка был вызван цианобактериями — фотосинтезирующими микробами, выдыхающими кислород.

Когда и как появились выдыхатели кислорода, неизвестно из-за того, что GOE был сложным перекрестком глобального замерзания, минеральных потрясений и расцвета новых видов.

«Мы не знаем, что является причиной, а что следствием», — говорит Доминик Папино из Института Карнеги в Вашингтоне. «Несколько событий произошло одновременно, поэтому история до сих пор не ясна».

Чтобы разобраться в геологической сюжетной линии, Папино изучает формации полосчатого железа (BIFs), осадочные породы, образовавшиеся на дне древних морей.

Исследование Папино, которое поддерживается Программой НАСА по экзобиологии и эволюционной биологии, сосредоточено на конкретных минералах в BIF, которые могут быть связаны с жизнью (и смертью) древних микробов.

Горнодобывающие предприятия BIF

Железные минералы в BIF составляют крупнейший в мире источник железной руды. Однако эти камни ценны не только для производства стали. Геологи добывают их из-за их богатой исторической записи, которая охватывает период от 3,8 до 0,8 миллиарда лет назад.

Однако происхождение самых старых BIF остается загадкой. Текущий консенсус заключается в том, что для формирования им требовалась помощь организмов, но каких именно? Эти простые одноклеточные морские существа не оставили нам ни костей, ни раковин, но Папино считает, что в BIF все еще могут быть минеральные или геохимические окаменелости.

Он и его коллеги обнаружили углеродистый материал в BIF, связанный с апатитом, фосфатным минералом, который иногда связывают с биологией. Подразумевается, что строители BIF были погребены в собственной работе.

Чтобы убедиться в этом, команда Папино будет изучать углерод BIF и сравнивать его с другими углеродисто-минеральными ассоциациями небиологического происхождения, включая минералы, найденные в марсианском метеорите.

«Эта работа может показать, что микробная биомасса была связана и откладывалась вместе с минералами железа», — говорит Андреас Капплер из Университета Тюбингена в Германии, который не участвовал в исследовании.

Раннее появление выдыхателей кислорода

Возможно, что этими микробными строителями BIF были цианобактерии, поскольку кислород этих микробов мог вызвать окисление железа в океане до GOE.

Но если цианобактерии появились задолго до ГЭ, то почему потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы их кислородные выделения накопились в атмосфере?

Папино и его коллеги, возможно, нашли часть ответа в сложном взаимодействии биологии и геологии.

Ранний кислород цианобактерий мог быть уничтожен преобладанием метана. Два газа реагируют друг с другом с образованием углекислого газа и воды.

«Кислород не может накапливаться в среде, богатой метаном», — говорит Папино.

Считается, что метан происходит от микробов, называемых метаногенами, которые выделяют метан в результате потребления углекислого газа и водорода.

В этом сценарии метаногены и цианобактерии делили древний океан, но метаногены одержали верх — их выбросы метана сдерживали кислород, а также нагревали планету за счет парникового эффекта. Но затем, примерно во времена GOE, эти организмы пришли в упадок, и в результате обедненная метаном атмосфера начала наполняться кислородом из цианобактерий.

Нет лишнего никеля

Связь GOE со снижением содержания метаногена уже делалась ранее, но было мало доказательств в поддержку этой гипотезы. Однако недавно Папино и его сотрудники сообщили в журнале Nature , что уровень никеля в BIF значительно снизился 2,7 миллиарда лет назад.

Подразумевается, что содержание никеля в океане упало на 50 процентов прямо перед ГЭ. Это важно, потому что метаногены зависят от никеля: он является центральным ингредиентом метаболических ферментов, участвующих в их производстве метана. Когда уровень никеля упал, метаногены предположительно голодали.

Сценарий никелевого голода делает эволюцию цианобактерий до GOE более правдоподобной, но для подтверждения этого потребуются дополнительные доказательства.

Капплер считает, что изучение происхождения древнейших BIF может рассказать нам, когда жизнь развила способность выдыхать кислород и тем самым навсегда изменить мир.

Ранняя Земля могла быть фиолетовой

Майкл Ширбер начал писать для LiveScience в 2004 году, когда и он, и сайт только начинали свою работу. Он затронул широкий круг тем для LiveScience, от происхождения жизни до физики вождения Nascar, и написал длинную серию статей об экологических технологиях. На протяжении многих лет он также писал для Science, Physics World и New Scientist.