Ученые Массачусетского технологического института и университета Сиракуз проанализировали керны осадочных пород возрастом 2,2−2,5 млрд лет, собранные в Южной Африке, чтобы найти химические «отпечатки» древних океанических процессов. Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Анализ стабильных изотопов азота в породах показал, что уже в этот древний период в океанах происходили процессы, требовавшие присутствия нитрата — соединения, которое образуется только при участии кислорода. Это означает, что азотный цикл начал зависеть от кислорода примерно на 100 млн лет раньше, чем считалось. Другими словами, микробы начали адаптироваться к жизни в окисленной среде задолго до того, как кислород стал массово накапливаться в атмосфере. Для жизни это стало серьезным вызовом, потому что переработка азота в присутствии кислорода — процесс значительно более сложный, чем в бескислородных условиях.
Эти результаты помогают понять, что Великое окислительное событие (Great Oxidation Event, GOE) не было одномоментным скачком, а представляло собой длительный процесс, растянувшийся на десятки миллионов лет. Жизнь на Земле постепенно училась существовать в новых, кислородных условиях.
В лаборатории южноафриканские образцы измельчали в порошок, химически обрабатывали для выделения нужных компонентов, а затем превращали в газ. Этот газ ионизировали, ускоряли в магнитном поле, где изотопы азота разделялись по массе, затем измеряли их соотношение (15N к 14N) с помощью масс-спектрометра изотопного отношения (IRMS). Это позволило реконструировать, как азот перерабатывался в далеком прошлом, и как изменялись условия в древних океанах. Ключевую роль в анализе сыграло специализированное оборудование — модуль криоловушки/капиллярной фокусировки. Без него проведение анализа таких малых количеств азота, как в образцах из Южной Африки, было бы невозможно.
Микроорганизмы оставляют свои «подписи» в химическом составе осадков задолго до того, как они превращаются в камень. Изучая изменения в соотношении изотопов с течением времени, ученые могут понять, как эволюционировала окружающая среда Земли — в частности, как изменялись уровни кислорода.
Открытие того, что азотный цикл стал зависеть от кислорода на 100 млн лет раньше, чем считалось, указывает на длительный разрыв между накоплением кислорода в океанах и его массовым появлением в атмосфере. GOE стало одной из крупнейших химических революций в истории планеты, открыв путь для появления аэробных организмов, которые используют кислород для получения энергии. Этот процесс лежит в основе нашей жизни — он питает работу клеток, движение и мышление. Сегодня кислород составляет около 21% атмосферы, и без него существование сложной многоклеточной жизни было бы невозможно.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что ученые раскрыли последствия вымирания всей жизни в океане.