|
Препятствие для появления жизни на Земле
|
|
|
|
Ученые давно пытались объяснить ключевое несоответствие в ранней истории Земли: фотосинтез, производящий кислород, развился за сотни миллионов лет до того, как атмосферный кислород начал повышаться во время Великого окислительного процесса. Эта задержка была связана с ограниченным количеством фосфора — питательного вещества, необходимого для жизни, — но конкретные процессы, контролирующие доступность фосфора в богатых железом океанах Земли в архейский период (приблизительно 3,2-2,5 миллиарда лет назад), оставались неясными.
|
|
|
|
Исследование, проведенное департаментом наук о Земле и планетах Университета Гонконга (HKU), выявило ранее не замеченный процесс, который может объяснить эту длительную задержку. Исследование было проведено в сотрудничестве с Университетом науки и технологий Китая (USTC) и в настоящее время опубликовано в журнале Nature Communications.
|
|
|
|
Работой руководил профессор ХКУ Гочунь Чжао (Mok Sau-King Professor) в качестве автора-корреспондента, а также почетный профессор Мин Сун и доктор Син Цуй, аспирант и первый автор статьи. Профессор Цзихуа Хао из USTC выступил в качестве соавтора-корреспондента.
|
|
|
|
Объединив лабораторные эксперименты с моделированием, команда впервые систематически выявляла, что в железистых (богатых Fe2?) океанах ранней Земли обычные филлосиликатные минералы, включая каолинит, монтмориллонитовый, нонтро-нит и лизардит, могли эффективно удерживать растворенный фосфат на своей поверхности. Этот процесс был обусловлен "мостиковым эффектом Fe(II)", когда ионы Fe2? образовывали химические связи между минеральными поверхностями и фосфатом. По мере того как эти минеральные частицы оседали и оседали в донных отложениях, этот механизм удалял необходимый фосфор из морской воды, ограничивая его доступность для поддержания морской жизни.
|
|
|
|
|
|
|
Фосфор и загадка ранней Земли
|
|
|
|
Фосфор является важным элементом для жизни и ключевым компонентом клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Во многих морских средах его ограниченная доступность ограничивает первичную продуктивность, что делает его круговорот и биодоступность критически важными для понимания совместной эволюции биосферы и геосферных отложений. Хотя взаимодействия между минералами и растворенным фосфатом играют жизненно важную роль в современном круговороте фосфора, оставалось неясным, как эти взаимодействия осуществлялись в условиях совершенно иного химического состава атмосферы и океана ранней Земли, особенно в архейский период.
|
|
|
|
В бескислородных и кислых условиях выветривания на ранней Земле образование оксидов Fe(III) было минимальным, что ограничивало их роль в качестве "переносчиков фосфора". Однако все большее внимание уделяется глинистым минералам (группа филлосиликатов), которые обладают высокой способностью адсорбировать фосфор и, возможно, служили основной альтернативой для связывания фосфора.
|
|
|
|
"Поверхностные условия на ранней Земле сильно отличались от современных: океаны содержали более высокие концентрации растворенного железа (II) и кремнезема и почти не содержали сульфатов", - пояснил первый автор статьи доктор Цуй. Высокое содержание кремнезема могло бы составить конкуренцию фосфатам на поверхности минералов, в то время как дефицит кислорода и низкое содержание сульфатов помогали поддерживать железо в его Fe(II) форме.
|
|
|
|
"То, как эти уникальные химические условия воды повлияли на адсорбцию и перенос фосфора глинистыми минералами, является ключевым элементом головоломки в понимании экологических ограничений на ранних этапах эволюции жизни", - сказал доктор Цуй.
|
|
|
|
Исследовательская группа смоделировала химический состав воды архейских рек и океанов и систематически исследовала поведение фосфатов при адсорбции на обычных филлосиликатных минералах. Результаты показали, что даже при низких или умеренных концентрациях Fe2?(от 20 мкм до 0,1 мм) адсорбция фосфатов на филлосиликатных поверхностях значительно усиливалась, причем эффект был гораздо сильнее, чем у других двухвалентных катионов, таких как Ca2? и Mg2?. Хотя высокие концентрации растворенного кремнезема в ранних океанах частично препятствовали адсорбции фосфатов, усиливающий эффект Fe(II) оставался доминирующим.
|
|
|
|
"С помощью молекулярного моделирования мы еще больше раскрыли лежащий в основе этого механизм", - сказал доктор Цуй. "Железо (II) может образовывать стабильные связующие комплексы между поверхностью минерала и фосфат-ионами, существенно повышая эффективность адсорбции. Этот "связующий эффект Fe(II)", вероятно, был широко распространен в ранних водоемах, богатых железом".
|
|
|
|
Объединив результаты экспериментов с моделированием, команда ученых восстановила новую картину раннего круговорота фосфора на Земле. В период среднего и позднего архея (около 3,2–2,5 миллиардов лет назад), когда возникли континенты и усилилось выветривание, реки доставили в океаны большое количество терригенных обломочных глинистых минералов. В богатых железом реках эти глины могут адсорбировать фосфор за счет связующего эффекта Fe(II) и после быстрого захоронения в прибрежных отложениях выступать в качестве эффективного поглотителя, который удаляет фосфор из морской воды.
|
|
|
|
В то же время, продолжающееся выветривание морского дна, возможно, обеспечивало питательные вещества, но недавно образовавшиеся филлосиликаты, такие как лизардит и нонтро-нонит, образующиеся при выветривании основной/ультраосновной коры морского дна, также могут эффективно адсорбировать растворенный фосфат с помощью Fe(II), что приводит к его быстрому захоронению и поддержанию низкого уровня биодоступного фосфора в ранних океанах.
|
|
|
|
"Согласно результатам нашего моделирования методом Монте-Карло, в поздний архейский период поток фосфора, захоронение которого происходило исключительно за счет адсорбции филлосиликатов, мог быть сопоставим с общим поступлением реактивного фосфора из рек в то время", - отметил соавтор исследования профессор Хао. "Это означает, что адсорбция филлосиликата была основным поглотителем фосфора в раннем круговороте на Земле, эффективно удаляя фосфор из толщи океанской воды".
|
|
|
|
Это постоянное ограничение потребления фосфора, возможно, задержало значительный рост первичной продуктивности морских организмов, частично объясняя, почему Великое окислительное событие (ГЭ) произошло через сотни миллионов лет после появления кислородного фотосинтеза.
|
|
|
|
Эта работа тесно связывает химию поверхности минералов, геохимию водной среды и биогеохимические циклы. "Это не только углубляет наше понимание экологической и биологической коэволюции ранней Земли, но и обеспечивает аналогичную основу для изучения круговорота питательных веществ и потенциальной обитаемости других планетарных тел, таких как ранний Марс", - сказал профессор Чжао, автор статьи. В восстановительной водной среде, богатой железом, глинистые минералы обычно могут играть ключевую роль в качестве "регуляторов" питательных веществ.
|
|
|
|
Источник
|
