Ученые раскрыли 2,3‑миллиардолетнюю тайну, которая помогла Земле оставаться обитаемой

Исследователи, возможно, разгадали загадку возрастом около 2,3 миллиарда лет о том, как моря Земли помогли поддерживать высокий уровень кислорода в атмосфере и сохранять планету обитаемой.

Более двух миллиардов лет назад Земля пережила драматическую трансформацию: кислород начал накапливаться в атмосфере. Но это изменение оставило ученых с важным вопросом: как планета сохраняла достаточное количество кислорода, чтобы оставаться обитаемой в течение миллионов лет?

Ученые теперь обнаружили свидетельства того, что ответ может скрываться в древней системе переработки веществ в океанах Земли. Изучив породы из Южной Африки, они обнаружили, что изменения в химии океана способствовали возникновению естественного цикла, в котором биологическая активность поддерживала дальнейшее накопление атмосферного кислорода.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, проводили ученые, в том числе геолог из Калифорнийского университета в Риверсайде Андрей Беккер. Их результаты указывают на то, что фосфор — жизненно важный для жизни элемент — играл центральную роль в поддержании уровней кислорода, которые в конечном итоге позволили появиться более сложным организмам.

Как древние океаны помогали поддерживать кислород на Земле

Около 2,3 миллиарда лет назад Земля пережила Великое окисление атмосферы — важный поворотный момент, когда кислород стал постоянной составляющей атмосферы. Ученым давно известно о самом переходе, но объяснить, как кислород оставался в достаточном количестве впоследствии, было гораздо сложнее.

Исследователи выявили петлю обратной связи, которая может объяснить произошедшее. По мере того как кислород проникал в океаны, менялась химия морской воды и повышались концентрации сульфата — соединения серы и кислорода.

Некоторые микробы использовали этот сульфат для более эффективного разложения органического вещества. При этом они возвращали фосфор обратно в воду, делая этот важный питательный элемент доступным для других организмов.

Увеличение доступного фосфора повышало биологическую продуктивность. Это означало, что больше органического углерода мог захораниваться в осадках дна, а не разлагаться. Поскольку разложение органического вещества потребляет кислород, захоронение большего количества углерода способствовало дальнейшему накоплению кислорода в атмосфере.

Так образовалась усиливающаяся цепочка, в которой рост уровня кислорода вызывал химические изменения, поддерживавшие рост биоты, что, в свою очередь, помогало сохранять атмосферный кислород.

«Живые организмы не могут расти или функционировать нормально без фосфора», — сказал Беккер. «Когда в океанах стало доступно больше этого элемента, это позволило захоранивать больше органического углерода. Побочным эффектом этого процесса было продолжение выброса кислорода в атмосферу».

Древние породы раскрывают скрытый фосфорный цикл

Для изучения этого процесса ученые исследовали древние образцы горных пород из Южной Африки, используя методику, дающую более детальную картину доступности фосфора в доисторических океанах.

Ранее исследования могли определять, сколько фосфора содержалось в древних породах, но такие измерения мало говорили о том, могли ли организмы действительно его использовать. Часть фосфора оказывается связанной в минералах и фактически недоступна для жизни.

Исследователи преодолели это ограничение, разделив фосфор в зависимости от минералов, которые его содержали. Они поочередно растворяли разные минеральные компоненты, что позволило отличать фосфор, доступный для биологической активности, от фосфора, запертого в структуре минералов.

Это различие имеет ключевое значение, потому что общее количество фосфора в океане не обязательно указывает на то, сколько его доступно для поддержания жизни. Новый подход дает более четкий способ реконструкции древних циклов питательных веществ и понимания того, как они влияли на уровень кислорода в атмосфере.

«Теперь мы можем отделить фосфор, который был доступен организмам, от фосфора, который по сути был заперт», — сказал Беккер. «Это дает нам гораздо более ясную картину уровня питательных веществ в древних океанах, чем раньше».

История кислорода на Земле могла быть более турбулентной, чем считали

Результаты также указывают на более сложную историю атмосферы Земли, чем считали ученые ранее.

Вместо относительно стабильного состояния после Великого окисления уровни кислорода могли колебаться намного драматичнее. Эти флуктуации, вероятно, продолжали влиять на химию океанов и перемещение ключевых питательных веществ в морской среде на протяжении десятков миллионов лет.

Результаты также могут изменить представления об эволюции ранней жизни.

Долгое время оставался открытым вопрос, почему сложные организмы появились так поздно после того, как кислород впервые стал существенной частью атмосферы. Ограниченный доступ к кислороду часто называли возможной причиной этой задержки.

Однако если кислород оставался относительно обильным в течение длительных периодов ранней истории Земли, это ставит под сомнение, что именно дефицит кислорода был главным фактором замедления появления сложной жизни, и указывает на роль других экологических условий или биологических ограничений.

Что древний кислородный цикл Земли означает для будущего

Хотя исследование посвящено событиям миллиарды лет назад, его выводы имеют отношение и к современным океанам, от которых мы зависим.

Изменение климата уже приводит к снижению уровней кислорода в отдельных частях мирового океана. Если потеря кислорода продолжится, это может нарушить фосфорный цикл и снизить количество этого жизненно важного питательного вещества, доступного морским организмам.

Такие изменения могут ограничить биологическую продуктивность и сделать океанские экосистемы менее устойчивыми к экологическим стрессам.

Результаты также могут помочь ученым в поиске признаков жизни за пределами Земли. Миров с океанами считают перспективными для оценки обитаемости, но наличие воды само по себе не гарантирует устойчивых условий для жизни.

Понимание того, как кислород, питательные вещества и биологические процессы взаимодействовали на протяжении истории Земли, может помочь исследователям выявлять аналогичные химические взаимосвязи на далеких планетах и других мирах с океанами.

«История Земли показывает, что кислород, питательные вещества и жизнь развивались вместе», — сказал Беккер. «Понимание этих связей дает нам более тонкое представление о будущем нашей планеты и о том, что стоит искать на других планетах».

Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Риверсайде. Примечание: содержание могло быть отредактировано в целях стиля и объема.

Lewis J. Alcott, Benjamin J. W. Mills, Andrey Bekker, Zidong Peng, Simon W. Poulton. A nutrient control on oxygenation dynamics during Earth’s Great Oxidation Episode. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-76597-y