Mindre liv:Begrænset genanvendelse af fosfor undertrykte jordens tidlige biosfære

Mængden af ​​biomasse - liv - i Jordens gamle oceaner kan have været begrænset på grund af lav genanvendelse af det vigtigste næringsstof fosfor, ifølge ny forskning fra University of Washington og University of St. Andrews i Skotland.

Forskningen, offentliggjort online 22. november i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , kommenterer også vulkanismens rolle i at understøtte Jordens tidlige biosfære - og kan endda gælde for søgen efter liv på andre verdener.

Avisens hovedforfatter er Michael Kipp, en UW ph.d.-studerende i jord- og rumvidenskab; medforfatter er Eva Stüeken, en forskningsstipendiat ved University of St. Andrews og tidligere UW postdoc-forsker. Roger Buick, UW professor i jord- og rumvidenskab, rådgivet forskerne.

Deres mål, Kipp sagde, var at bruge teoretisk modellering til at studere, hvordan havets fosforniveauer har ændret sig gennem Jordens historie.

"Vi var interesserede i fosfor, fordi det menes at være det næringsstof, der begrænser mængden af ​​liv, der er i havet, sammen med kulstof og nitrogen, " sagde Kipp. "Du ændrer den relative mængde af dem, og du ændrer, i bund og grund, mængden af ​​biologisk produktivitet."

Kipp sagde, at deres model viser, at fosfors evne til at blive genbrugt i det gamle hav "var meget lavere end i dag, måske i størrelsesordenen 10 gange mindre."

Alt liv har brug for rigelig mad for at trives, og det kemiske grundstof fosfor - som skyller ud i havet fra floder som fosfat - er et nøglenæringsstof. En gang i havet, fosfor bliver genbrugt flere gange, da organismer som plankton eller eukaryote alger, der "spiser" det, igen forbruges af andre organismer.

"Da disse organismer bruger fosfor, de bliver til gengæld græsset, eller de dør og andre bakterier nedbryder deres organiske stof, " sagde Kipp, "og de frigiver noget af det fosfor tilbage i havet. Det cykler faktisk igennem flere gange, " at tillade det frigjorte fosfor at opbygge sig i havet. Mængden af ​​genanvendelse er en nøglekontrol på mængden af ​​total fosfor i havet, som igen understøtter livet.

Buick forklarede:"Enhver gartner ved, at deres planter kun vokser små og skrammel uden fosfatgødning. Det samme gælder for fotosyntetisk liv i havene, hvor fosfat-'gødningen' hovedsageligt kommer fra fosfor frigivet ved nedbrydning af dødt plankton."

Men alt dette kræver ilt. I nutidens iltrige oceaner, Næsten alt fosfor bliver genbrugt på denne måde, og lidt falder til havbunden. For flere milliarder år siden, i den prækambriske æra, imidlertid, der var lidt eller ingen ilt i miljøet.

"Der er nogle alternativer til ilt, som visse bakterier kan bruge, sagde medforfatter Stüeken. "Nogle bakterier kan fordøje mad ved hjælp af sulfat. Andre bruger jernoxider." Sulfat, hun sagde, var den vigtigste kontrol af fosforgenanvendelse i den prækambriske æra.

"Vores analyse viser, at disse alternative veje var den dominerende vej for fosforgenanvendelse i prækambrium, når ilt var meget lavt, " sagde Stüeken. "Men, de er meget mindre effektive end fordøjelsen med ilt, hvilket betyder, at kun en mindre mængde biomasse kunne fordøjes. Som en konsekvens, meget mindre fosfor ville være blevet genbrugt, og derfor ville den totale biologiske produktivitet være blevet undertrykt i forhold til i dag."

Kipp sammenlignede tidlige Jords iltfattige hav med en slags "dåse" miljø, med ilt forseglet:"Det er et lukket system. Hvis du går tilbage til de tidlige prækambriske oceaner, der sker ikke ret meget med hensyn til biologisk aktivitet."

Stüeken bemærkede, at vulkaner var den største kilde til sulfat i prækambrium, i modsætning til nu, og så de var nødvendige for at opretholde en betydelig biosfære ved at muliggøre genanvendelse af fosfor.

Faktisk, minus sådan vulkansk sulfat, Stüeken sagde, Jordens biosfære ville have været meget lille, og har måske ikke overlevet over milliarder af år. Fundene, derefter, illustrere "hvor stærkt liv er knyttet til fundamentale geologiske processer såsom vulkanisme på den tidlige Jord, " hun sagde.

Kipp og Stüekens modellering kan også have konsekvenser for søgen efter liv hinsides Jorden.

Astronomer vil bruge kommende jord- og rumbaserede teleskoper såsom James Webb Space Telescope, indstillet til lancering i 2019, at se efter virkningen af ​​en marin biosfære, som Jorden har, på en planets atmosfære. Men lavt fosforindhold, siger forskerne, kunne få en beboet verden til at fremstå ubeboet - hvilket gør en slags "falsk negativ".

Kipp sagde, "Hvis der er mindre liv - dybest set, mindre fotosyntetisk output - det er sværere at akkumulere atmosfærisk ilt, end hvis du havde moderne fosforniveauer og produktionshastigheder. Dette kan betyde, at nogle planeter kan se ud til at være ubeboede på grund af deres mangel på ilt, men i virkeligheden har de biosfærer, der er begrænset i omfang på grund af lav fosfortilgængelighed.

"Disse 'falske negativer' er en af ​​de største udfordringer, vi står over for i vores søgen efter liv andre steder, " sagde Victoria Meadows, UW astronomi professor og hovedefterforsker for NASA Astrobiology Institute's Virtual Planetary Laboratory, baseret på UW.

"Men forskning i tidlige Jordens miljøer øger vores chance for succes ved at afsløre processer og planetariske egenskaber, der styrer vores søgen efter liv på nærliggende exoplaneter."