Учёные раскрыли взаимодействие ранних форм жизни и окружающей среды за 500 миллионов лет

Между атмосферой, океаном и жизнью на Земле за последние 500+ миллионов лет существовали взаимодействия, которые улучшили условия для процветания ранних организмов. Междисциплинарная группа учёных представила обзор этой совместной эволюционной истории в статье в National Science Review.

"Одной из наших задач было обобщить важнейшие открытия об углекислом газе и кислороде в атмосфере и океане за последние 500 миллионов лет", — говорит профессор геохимии из Сиракузского университета Цзуньли Лу, ведущий автор статьи. — "Мы рассмотрели, как эти физические изменения повлияли на эволюцию жизни в океане. Но это улица с двусторонним движением. Эволюция жизни также повлияла на химическую среду. Понимание того, как построить обитаемую Землю в долгосрочной перспективе, — нетривиальная задача".

Команда из Сиракузского университета, Оксфордского университета и Стэнфордского университета исследовала сложные взаимосвязи между древними формами жизни, включая растения и животных, и химической средой в текущей фанерозойской эре, которая началась примерно 540 миллионов лет назад.

В начале фанерозоя уровень углекислого газа в атмосфере был высоким, а уровень кислорода — низким. Такое состояние было бы трудным для процветания многих современных организмов. Но океанические водоросли изменили это. Они поглощали CO₂ из атмосферы, связывали его в органическое вещество и производили кислород посредством фотосинтеза.

Способность животных жить в океанической среде зависела от уровня кислорода. Лу изучает, где и когда уровни кислорода в океане могли повышаться или понижаться в течение фанерозоя, используя геохимические прокси и модельные симуляции. Соавтор Джонатан Пейн, профессор наук о Земле и планетах в Стэнфордском университете, сравнивает предполагаемые метаболические потребности древнего животного с местами, где оно выживало или исчезало в палеонтологической летописи.

По мере того как фотосинтезирующие водоросли удаляли атмосферный углерод в осадочные породы, снижая уровень CO₂ и повышая уровень O₂, ферменты водорослей становились менее эффективными в фиксации углерода. Поэтому водорослям пришлось создавать более сложные способы фотосинтеза при более низком CO₂ и более высоком O₂, что было достигнуто путём создания внутренних компартментов для фотосинтеза с контролем над химией.

"Для водорослей ключевым фактором, стимулирующим повышение эффективности фотосинтеза, по-видимому, являются изменения в соотношении O₂/CO₂ в окружающей среде", — говорит соавтор Розалинд Риккаби, профессор геологии в Оксфорде. — "Что действительно интригует, так это то, что эти улучшения фотосинтетической эффективности могли расширить химические границы обитаемости для многих форм жизни".

Древним фотосинтетикам пришлось адаптироваться к изменениям физической среды, которые они сами создали, отмечает Лу. "Первая часть истории фанерозоя — это повышение обитаемости для жизни, а вторая — адаптация".

Авторы предполагают, что для дальнейшего понимания этого взаимодействия между жизнью и физической средой, а также движущих сил и пределов обитаемости, ключевым направлением будущих исследований станет картирование пространственных паттернов кислорода в океане, биомаркеров фотосинтеза и метаболической толерантности животных, отражённых в палеонтологической летописи.