Ключевым компонентом кислородного цикла является то, что растения и некоторые виды бактерий используют солнечный свет, воду и CO2, преобразуя их в углеводы и кислород, которые затем циркулируют и используются другими организмами, использующими кислород. Этот кислород служит транспортным средством для электронов, получая и отдавая их в метаболических процессах. Однако в течение первых 1,5 млрд лет жизни на Земле кислород отсутствовал, и ученые не понимали, как все системы на Земле работали, говорит ведущий автор исследования, профессор морских наук Калифорнийского университета и науки о Земле Питер Вишер.
Теории о том, как жизненные процессы функционировали в отсутствие кислорода, в основном полагались на водород, серу или железо как на элементы, которые переносят электроны для удовлетворения метаболических потребностей организмов.
Как объясняет Вишер, эти теории оспариваются; например, фотосинтез возможен с железом, но исследователи не находят доказательств этого в летописи окаменелостей до появления кислорода около 2,4 млрд лет назад. Упоминается водород, но энергетика и конкуренция за водород между различными микробами показывают, что это невыполнимо.
Мышьяк — еще одна теоретическая возможность, и доказательства этого были найдены в 2008 году. Висшер говорит, что новые подтвеждения были получены в 2014 году, когда он и его коллеги обнаружили доказательства фотосинтеза на основе мышьяка в миллиарды лет назад. Для дальнейшего подтверждения своей теории исследователям необходимо было найти современный аналог для изучения биогеохимии и круговорота элементов.
Сложный аспект работы с летописью окаменелостей, особенно таких древних, как некоторые строматолиты, заключается в том, что их мало осталось из-за круговорота горных пород по мере движения континентов. Однако прорыв произошел, когда команда обнаружила активный микробный мат, который в настоящее время существует в суровых условиях в Лагуна-ла-Брава в пустыне Атакама в Чили.
Эти маты ранее не изучались, но представляют собой потусторонний набор условий, подобных условиям ранней Земли. Маты находятся в уникальной среде, которая оставляет их в постоянном бескислородном состоянии на большой высоте, где они подвергаются ежедневным колебаниям температуры и высоким излучениям ультрафиолета. Они служат мощным и информативным инструментом для понимания жизни в условиях ранней Земли.
Ученые начали работать в Чили, где обнаружили кроваво-красную реку. Красные отложения состоят из аноксогенных фотосинтетических бактерий. В этой воде также очень много мышьяка. Она содержит сероводород, который имеет вулканическое происхождение и очень быстро течет по матам. Здесь нет абсолютно никакого кислорода, объясняют ученые.
Команда ученых показала, что маты создают карбонатные отложения и новое поколение строматолитов. Карбонатные материалы также продемонстрировали доказательства круговорота мышьяка — он служит переносчиком электронов, доказывая, что микробы его активно метаболизируют, как и кислород в современных системах. Вишер говорит, что эти находки наряду со свидетельствами окаменелостей дают четкое представление о ранних состояниях Земли.
Читать также
В эпоху экосистем: как ИТ-гиганты превращаются в интерфейсы нашего быта
Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное