Новая теория предлагает способ, которым океанские микробы и минералы могли насытить Землю кислородом

Большинство живых организмов на Земле можно разделить на потребителей и производителей кислорода.

Этот хрупкий баланс дающих и берущих кислород поддерживает концентрацию кислорода в атмосфере нашей планеты на уровне 21 процента. Однако так было не всегда.

В первые несколько миллиардов лет существования Земли кислород был относительно дефицитным. Затем, казалось бы, из ниоткуда, количество двухатомного газа внезапно увеличилось.

Кислорода стало поступать больше, чем браться, но как и почему это произошло?

Ученые уже много лет размышляют над этими загадками, а у исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) появилась новая гипотеза. Возможно, некоторые микробы переходят грань между производителями и потребителями кислорода.

Известно, что микробы в глубинах океана используют кислород для расщепления органических веществ. Но что если другой микроб откусывал от кислорода океана до того, как другие потребители могли до него добраться?

Теоретически, если микроб лишь частично окислил органическое вещество, то велика вероятность того, что остатки химически свяжутся с минералами в океанических отложениях.

Такое захоронение кислорода не даст органическому материалу полностью окислиться, пока его будут разлагать более прожорливые микробы. Таким образом, у кислорода будет шанс накопиться в воде, прежде чем он улетучится в атмосферу. Затем океан может снова поглотить его, создавая петлю положительной обратной связи.

"Это заставило нас задаться вопросом: существует ли микробный метаболизм, который производит POOM (частично окисленное органическое вещество)?" - вспоминает геобиолог Грегори Фурье. 

Оказалось, что существует. Исследуя научную литературу, Фурье и его коллеги - Хайтао Шанг и Дэниел Ротман - остановились на группе бактерий, известной как SAR202. 

Эта современная группа бактерий может частично окислять органические вещества в сегодняшних глубоких океанах. Она может делать это с помощью фермента, известного как монооксигеназа Бейера-Виллигера, или BVMO.

Проследив генетическую линию этого фермента, авторы обнаружили, что он существовал среди микробов, которые развивались до великого события окисления.

Более того, скачки уровня кислорода на ранней Земле, по-видимому, совпадают с распространением этого гена. Другими словами, по мере распространения способности частично окислять органические материалы среди микробов происходило и повышение уровня кислорода в атмосфере.

Это совпадение может быть случайным, а может означать, что микробы с такими генами помогли начать великое событие окисления.

Поскольку кислород стал более доступным в окружающей среде, это, вероятно, способствовало диверсификации аналогичных окислительных метаболизмов у других микробов.

"Это может показаться нелогичным: окислительные метаболические процессы, в конце концов, потребляют O2", - пишут авторы.

"Тем не менее, потенциально важная положительная обратная связь заключается во взаимодействии продуктов окисленного метаболизма с минералами в осадочных породах".

Частично окисленные органические вещества более прочно связаны с минеральными поверхностями в океанических отложениях. Это означает, что ферменты микробов не могут так легко добраться до него.

Поэтому захороненный кислород может сохраняться в течение длительного геологического времени, в конечном итоге стимулируя накопление кислорода в океанах и атмосфере Земли.

В какой-то момент эта петля положительной обратной связи должна была уравновеситься на уровне 21 процента кислорода в атмосфере - вероятно, когда развилось достаточно форм жизни, чтобы начать потреблять этот элемент.

С тех пор весы между потребителями и производителями кислорода установились.

Другое недавнее исследование подтверждает эту гипотезу, предполагая, что захоронение органических веществ в среде с низким содержанием кислорода сыграло большую роль в великом событии насыщения Земли кислородом, чем мы думали.

Вместо того чтобы фотосинтезирующие бактерии насыщали кислородом атмосферу, а затем океан, что если минералы в океане насыщали кислородом атмосферу?

Для развития этих идей необходимы дальнейшие исследования, но пока они выглядят как возможные объяснения.

"Предложить новый метод и показать доказательства его правдоподобности - это первый, но важный шаг", - говорит Фурнье. "Мы определили, что это теория, достойная изучения".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.