Studie af 3,5 milliarder år af Jordens historie:En gødningsmangel forhindrede dyrenes udvikling i evigheder?

I tre milliarder år eller mere, udviklingen af ​​det første dyreliv på Jorden var klar til at ske, nærmest venter i kulissen. Men den åndbare ilt, det krævede, var der ikke, og mangel på simple næringsstoffer kan have været skylden.

Så kom en voldsom planetarisk metamorfose. For omkring 800 millioner år siden, i den sene Proterozoikum Eon, fosfor, et kemisk grundstof, der er afgørende for alt liv, begyndte at akkumulere i lavvandede havzoner nær kyster, der i vid udstrækning anses for at være fødestedet for dyr og andre komplekse organismer, ifølge en ny undersøgelse foretaget af geovidenskabsmænd fra Georgia Institute of Technology og Yale University.

Sammen med fosforakkumulering kom en global kemisk kædereaktion, som omfattede andre næringsstoffer, der drev organismer til at pumpe ilt ud i atmosfæren og havene. Kort efter denne overgang, bølger af ekstreme klimaer skyllede over kloden, fryser det over to gange i titusinder af år hver gang, en højt anset teori holder. Den forhøjede tilgængelighed af næringsstoffer og forstærket ilt har sandsynligvis også givet næring til evolutionens største udfald.

Efter milliarder af år, hvor livet næsten udelukkende bestod af encellede organismer, dyr udviklede sig. I første omgang, de var ekstremt enkle, ligner nutidens svampe eller vandmænd, men Jorden var på vej fra at blive til, i evigheder, en planet mindre end gæstfri over for komplekst liv til at blive en sprængfyldt med den.

Jordens sande tilblivelse

I de sidste par hundrede millioner år, biodiversiteten er blomstret op, fører til tætte jungler og græsarealer, der ekko af dyrekald, og vand, der vrider sig med enhver form af finne og farve på skalaen. Og stort set alle udviklingstrin har sat sit præg på fossilerne.

Forskerne er forsigtige med ikke at antyde, at fosfor nødvendigvis forårsagede kædereaktionen, men i sedimentære bjergarter taget fra kystområder, næringsstoffet har markeret stedet, hvor det liv og klimaforandringer tog fart. "Timingen er bestemt iøjnefaldende, " sagde Chris Reinhard, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Earth and Atmospheric Sciences.

Reinhard og Noah Planavsky, en geokemiker fra Yale University, hvem ledede forskningen sammen, har udvundet registreringer af sedimentær sten, der er dannet i gamle kystzoner, går ned lag for lag til 3,5 milliarder år siden, at beregne, hvordan kredsløbet af det essentielle gødningsfosfor udviklede sig, og hvordan det så ud til at spille en stor rolle i en veritabel tilblivelse.

De bemærkede en bemærkelsesværdig kongruens, da de bevægede sig opad gennem skiferlagene ind i den periode, hvor dyrelivet begyndte, i den sene Proterozoikum Eon.

"Den mest grundlæggende ændring var fra meget begrænset fosfortilgængelighed til meget højere fosfortilgængelighed i havets overfladevand, " sagde Reinhard. "Og overgangen så ud til at ske lige omkring det tidspunkt, hvor der var meget store ændringer i havets atmosfæres iltniveauer og lige før fremkomsten af ​​dyr."

Fosfor ved stranden

Reinhard og Planavsky, sammen med et internationalt team, har foreslået, at en opsamling af næringsstoffer i en anoxisk (næsten O2-fri) verden hæmmede fotosyntetiske organismer, der ellers havde været klar i mindst to milliarder år til at lave lagre af ilt. Så blev det afbalancerede system forstyrret, og oceanisk fosfor kom til kystnære farvande.

Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Natur på onsdag, 21. december, 2016. Deres forskning blev finansieret af National Science Foundation, NASA Astrobiology Institute, Sloan Foundation og Japan Society for the Promotion of Science.

Værket giver et nyt syn på, hvilke faktorer der tillod livet at omforme Jordens atmosfære. Det hjælper med at lægge et fundament, som videnskabsmænd kan anvende til at lave forudsigelser om, hvad der ville tillade liv at ændre exoplaneternes atmosfære, og kan inspirere til dybere studier, her på jorden, af, hvordan oceanisk-atmosfærisk kemi driver klimaustabilitet og påvirker livets opståen og fald gennem tiderne.

Cyanobakterier, moderen til O2

Komplekse levende ting, herunder dyr, har normalt et enormt stofskifte og kræver rigelig O2 for at drive det. Udviklingen af ​​dyr er utænkelig uden den.

Vejen til at forstå, hvordan en mangel på næringsstoffer ville udsulte åndbar iltproduktion, fører tilbage til en meget speciel slags bakterier kaldet cyanobakterier, iltens moder på Jorden.

"Den eneste grund til, at vi har en godt iltet planet, vi kan leve på, er på grund af oxygenisk fotosyntese, " sagde Planavsky. "O2 er affaldsproduktet fra fotosynteseceller, som cyanobakterier, ved at kombinere CO2 og vand for at opbygge sukker."

Og fotosyntese er en evolutionær singularitet, hvilket betyder, at det kun har udviklet sig én gang i Jordens historie - i cyanobakterier.

Nogle andre biologiske fænomener udviklede sig gentagne gange i snesevis eller hundredvis af uafhængige forekomster gennem tiderne, såsom overgangen fra encellede organismer til rudimentære flercellede organismer. Men forskere er overbeviste om, at oxygenisk fotosyntese kun udviklede sig denne ene gang i Jordens historie, kun i cyanobakterier, og alle planter og andre væsener på Jorden, der fotosynteserer, har medvirket til udviklingen.

Jernankeret

Cyanobakterier er krediteret for at fylde Jordens atmosfære med O2, og de har eksisteret i 2,5 milliarder år eller mere.

Det rejser spørgsmålet:Hvad tog så lang tid? Grundlæggende næringsstoffer, der fodrede bakterierne, var ikke let tilgængelige, videnskabsmanden antager. Fosfor, som Planavsky og Reinhard specifikt sporede, var i havet i milliarder af år, også, men det var bundet de forkerte steder.

I evigheder, mineralet jern, som engang mættede oceaner, sandsynligvis bundet med fosfor, og sænkede det ned til mørke havdybder, langt væk fra de lavvandede områder - også kaldet kontinentale marginer - hvor cyanobakterier ville have haft brug for det for at trives og lave ilt. Selv i dag, jern bruges til at behandle vand forurenet med gødning for at fjerne fosfor ved at synke det som dybt sediment.

Forskerne brugte også en geokemisk model til at vise, hvordan et globalt system med høj jernkoncentration og lav fosfortilgængelighed kombineret med lav kvælstoftilgængelighed i havets lavvandede områder kunne forevige sig selv i en verden med lavt iltindhold.

"Det ser ud til at have været et så stabilt planetsystem, " sagde Reinhard. "Men det er åbenbart ikke den planet, vi lever på nu, så spørgsmålet er, hvordan gik vi fra denne tilstand med lavt iltindhold til hvor vi er nu?"

Hvad der i sidste ende forårsagede denne ændring er et spørgsmål for fremtidig forskning.

Fosfor startpistol

Men noget ændrede sig for omkring 800 millioner år siden, og cyanobakterier og andre små organismer i kontinentale økosystemer fik mere fosfor, rygraden af ​​DNA og RNA, og en hovedaktør i cellemetabolisme. Bakterierne blev mere aktive, gengives hurtigere, spiste meget mere fosfor og lavede masser af O2.

"Fosfor er ikke kun afgørende for livet, " sagde Planavsky. "Det, der er implicit i alt dette er:Det kan kontrollere mængden af ​​liv på vores planet."

Da de nyligt formerede bakterier døde, de faldt til bunden af ​​de lavvandede hav, stabler op lag for lag for at rådne og berige mudderet med fosfor. Mudderet blev til sidst komprimeret til sten.

"Efterhånden som biomassen steg i fosforindhold, jo mere af det landede i lag af sedimentær sten, " sagde Reinhard. "Til videnskabsmænd, den skifer er siderne i havbundens historiebog."

Forskere har bladret igennem dem i årtier, kompilering af data. Planavsky og Reinhard analyserede omkring 15, 000 rockplader til deres studie.

"Den første samling, vi havde af dette, var kun 600 prøver, " sagde Planavsky. Reinhard tilføjede, "Men man kunne allerede se det dengang. Fosforstødet var så klart som dagen. Og efterhånden som databasen voksede i størrelse, fænomenet blev mere forankret."

Det første signal om fosfor i jordens lavvandede kyster dukker op i skiferposten som et skud fra en startpistol i kapløbet om rigeligt liv.