Исследование, опубликованное в сети в ноябре. 22 в журнале Science Advances, также комментирует роль вулканизма в поддержке ранней биосферы Земли — и может даже применяться к поиску жизни в других мирах.
Ведущий автор статьи — Майкл Кипп, докторант Массачусетского университета в области наук о Земле и космосе; соавтор — Ева Стуэкен, научный сотрудник Университета Св. Эндрюс и бывший постдокторский исследователь из UW.
Роджер Бьюик, профессор наук о Земле и космосе из Университета штата Вашингтон, посоветовал исследователям.
По словам Киппа, их цель состояла в том, чтобы использовать теоретическое моделирование для изучения того, как уровень фосфора в океане менялся на протяжении всей истории Земли.
«Нас интересовал фосфор, потому что он считается питательным веществом, ограничивающим количество жизни в океане, наряду с углеродом и азотом», — сказал Кипп. "Вы меняете их относительное количество, и вы меняете, в основном, количество биологической продуктивности."
Кипп сказал, что их модель показывает, что способность фосфора к переработке в древнем океане «была намного ниже, чем сегодня, может быть, в 10 раз меньше."
Для процветания любой жизни требуется обильная пища, а химический элемент фосфор, который смывается в океан из рек в виде фосфата, является ключевым питательным веществом. Попадая в океан, фосфор несколько раз перерабатывается, так как организмы, такие как планктон или эукариотические водоросли, которые «поедают» его, в свою очередь, потребляются другими организмами.
«Поскольку эти организмы используют фосфор, они, в свою очередь, поедают их, или они умирают, а другие бактерии разлагают свое органическое вещество, — сказал Кипп, — и они выпускают часть этого фосфора обратно в океан.
Фактически он проходит несколько циклов, "позволяя высвобожденному фосфору накапливаться в океане. Объем рециркуляции является ключевым фактором контроля общего количества фосфора в океане, который, в свою очередь, поддерживает жизнь.
Бьюик объяснил: «Каждый садовник знает, что его растения без фосфорных удобрений вырастают маленькими и неуклюжими.
То же самое относится и к фотосинтетической жизни в океанах, где фосфатное «удобрение» происходит в основном из фосфора, высвобождаемого в результате разложения мертвого планктона."
Но все это требует кислорода.
В сегодняшних океанах, богатых кислородом, почти весь фосфор перерабатывается таким образом, и лишь немногие из них выпадают на дно. Однако несколько миллиардов лет назад, в докембрийскую эпоху, в окружающей среде было мало или совсем не было кислорода.
«Есть некоторые альтернативы кислороду, которые могут использовать некоторые бактерии, — сказал соавтор Стуэкен. "Некоторые бактерии могут переваривать пищу, используя сульфат.
Другие используют оксиды железа."Сульфат, — сказала она, — был самым важным средством контроля над рециркуляцией фосфора в докембрийскую эпоху.
«Наш анализ показывает, что эти альтернативные пути были основным путем рециркуляции фосфора в докембрии, когда кислород был очень низким», — сказал Стуэкен. "Однако они намного менее эффективны, чем переваривание кислородом, а это означает, что переваривается только меньшее количество биомассы. Как следствие, гораздо меньше фосфора было бы переработано, и, следовательно, общая биологическая продуктивность была бы подавлена по сравнению с сегодняшним днем."
Кипп сравнил океан с низким содержанием кислорода на ранней Земле с чем-то вроде «консервированной» среды с изолированным кислородом: «Это замкнутая система.
Если вы вернетесь к раннему докембрийскому океану, то с точки зрения биологической активности там не так много всего."
Стуэкен отметил, что вулканы были крупнейшим источником сульфатов в докембрии, в отличие от нынешнего, и поэтому они были необходимы для поддержания значительной биосферы, позволяя рециркулировать фосфор.
Фактически, без такого вулканического сульфата, сказал Стуэкен, биосфера Земли была бы очень маленькой и, возможно, не выжила бы в течение миллиардов лет.
Результаты, таким образом, показывают, «насколько сильно жизнь связана с фундаментальными геологическими процессами, такими как вулканизм на ранней Земле», — сказала она.
Моделирование Киппа и Стуэкена также может иметь значение для поиска жизни за пределами Земли.
Астрономы будут использовать будущие наземные и космические телескопы, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2019 год, чтобы исследовать влияние морской биосферы, как и на Земле, на атмосферу планеты. Но низкий уровень фосфора, по словам исследователей, может привести к тому, что обитаемый мир будет казаться необитаемым, что создает своего рода «ложноотрицательный результат»."
Кипп сказал: «Если есть меньше жизни — в основном, меньше фотосинтетической продукции — труднее накапливать атмосферный кислород, чем если бы у вас были современные уровни фосфора и скорость производства.
Это может означать, что некоторые планеты могут показаться необитаемыми из-за недостатка кислорода, но на самом деле у них есть биосферы, размеры которых ограничены из-за низкой доступности фосфора.
«Эти« ложные отрицания »- одна из самых больших проблем, с которыми мы сталкиваемся в поисках жизни в другом месте», — сказала Виктория Медоуз, профессор астрономии Университета штата Вашингтон и главный исследователь Виртуальной планетарной лаборатории Института астробиологии НАСА, базирующейся в Университете штата Вашингтон.
"Но исследования окружающей среды на ранней Земле увеличивают наши шансы на успех, раскрывая процессы и планетарные свойства, которые направляют наши поиски жизни на близлежащих экзопланетах."