Вчені проливають світло на еволюцію життя 800 мільйонів років тому

Нітрати винні у водоростях, квітах і навіть у ваших сусідів? Команда геологів Virginia Tech знайшла докази, які можуть свідчити про так. Висновки команди, нещодавно опубліковані в Science Advances, показують збільшення біологічно доступного азоту в той час, коли морські еукаріоти — організми, клітини яких мають ядро ​​— стали домінувати. Складні еукаріотичні клітини еволюціонували в багатоклітинні організми й вважаються започаткуванням абсолютно нової ери життя на Землі, включаючи тварин, рослин і грибів.

«Те, де ми сидимо сьогодні, з життям, яким воно є на планеті, — це загальна сума всіх подій, що відбулися в минулому», — сказав Бен Гілл, доцент кафедри геохімії осадових порід і співавтор статті. «І це ключова подія, коли ми переходимо від домінантно прокаріотичних екосистем — клітин, які набагато простіші, ніж клітини нашого тіла, — до еукаріотів. Якби цього не сталося, нас би не було сьогодні».

Попередні дослідження були зосереджені на ролі фосфору в появі еукаріотів, але Джуньяо Канг, докторант кафедри наук про Землю та провідний автор статті, цікавився, яку роль у цій події відіграє азот.

«Ці дані унікальні, тому що даних про ізотоп азоту практично немає з раннього неопротерозойського періоду, або від мільярда до 800 мільйонів років тому», — сказав Канг.

Співпрацюючи з Нанкінським університетом у Наджіні, Китай, Канг протягом двох років працював над тим, щоб зрозуміти, що стало причиною появи еукаріотів за допомогою ізотопного аналізу азоту зразків гірських порід із Північно-Китайського кратону. Цей регіон колись був покритий океаном, де знаходяться скелі, датовані 3,8 мільярдами років тому.

«У нас були деякі приблизні уявлення про те, коли еукаріоти стали екологічно успішними», — сказав Шухай Сяо, професор геобіології та співавтор статті. «Вони були там протягом тривалого часу в стриманому статусі приблизно до 820 мільйонів років тому, коли їх стало багато».

Кан вирішив дізнатися, чому. Він взяв дані зі зразків гірських порід, вніс їх у більшу базу даних і проаналізував у більш тривалому часовому масштабі, який охоплював різні географічні місця.

«Після того, як ми зробили таку інтеграцію та представили це у загальну картину, ми побачили зростання нітратів у часі, що відбулося приблизно 800 мільйонів років тому», — сказав Канг.

Тверда співпраця

Спільний міжнародний підхід був ключовим для зв’язку цих нових даних з біологічними подіями, головним чином, появою еукаріотів. Гілл і Рейчел Рейд, також геохіміки з Наукового коледжу та співавтори статті, надали критичний аналіз за допомогою ресурсів, зокрема мас-спектрометра в Лабораторії стабільних ізотопів Geoscience Технічного університету Вірджинії. Елементний аналізатор, з’єднаний з мас-спектрометром, дозволив дослідникам виділити чистий азот зі зразків для аналізу.

Гілл спеціалізується на реконструкції теперішніх і минулих хімічних циклів на нашій планеті. Він співпрацює з палеонтологами для вивчення записів про життя, що збереглися в геологічних літописах, і досліджує, які потенційні чинники навколишнього середовища могли спричинити зміни в житті протягом історії.

Рейд, яка, як правило, зосереджує свої дослідження на нещодавніх подіях на Землі, мала особливу можливість запропонувати свої знання щодо ізотопів азоту цим стародавнім скам’янілостям. Фейфей Чжан, геохімік з Нанкінського університету, був четвертим співавтором статті. Чжан надав уявлення про те, скільки кисню було б доступно в океанах у той час, коли зросла кількість нітратів. Усі автори Virginia Tech є афілійованими членами Центру глобальних змін Інституту наук про життя Фраліна, а Канг є доктором філософії. стипендіат аспірантської програми «Інтерфейси глобальних змін». Центр об’єднує експертів з різних дисциплін для вирішення цих складних глобальних проблем і підготовки наступного покоління лідерів.

Минуле, теперішнє та майбутнє

Сяо, який допомагав розкопувати та вивчати деякі з найдавніших скам’янілостей з усього світу, сказав, що такий тип дослідження дає йому надію на майбутні відкриття. Члени команди з нетерпінням чекають на співпрацю з NASA щодо майбутніх грантів, таких як екзобіологічна програма, що підтримує їхні поточні дослідження. Він також віддає належне університетським бібліотекам Технічного університету Вірджинії за підтримку публікацій із відкритим доступом, таких як Science Advances , щоб надати перевірену вибірку досліджень, які є у вільному доступі для читачів.

«Ми можемо пов’язати крапки із ізотопного складу азоту в давньому минулому, а потім перейти до наступного кроку та зробити висновок, скільки нітратів було доступно для організмів», — сказав Сяо. «І потім ми пов’язуємо це з даними про викопні рештки, щоб показати, що існує зв’язок». Хоча стародавні океани давно минули, те, що відбувалося в стародавніх океанах, зафіксовано в скелях, і вивчення цих порід дає змогу зв’язати історію нашої Землі з сьогоденням і майбутнім.

«Геологи дивляться на каміння з тієї ж причини, з якої біржові трейдери дивляться на криву Доу-Джонса, коли приймають рішення продати або купити акції. Геологічна історія, записана в каменях, дає нам важливий контекст про глобальні зміни в майбутньому», — сказав Сяо.