Виноваты ли нитраты в появлении водорослей, цветов и даже ваших соседей? Группа геологов из Virginia Tech обнаружила доказательства, которые могут свидетельствовать о том, что да.

Результаты исследования, недавно опубликованные в журнале Science Advances, свидетельствуют об увеличении биологически доступного азота в период доминирования морских эукариот - организмов, клетки которых имеют ядро. Сложные эукариотические клетки эволюционировали в многоклеточные организмы, и именно они положили начало новой эре для жизни на Земле, включая животных, растения и грибы.

"То, где мы находимся сегодня, с такой жизнью, какая она есть на планете, - это итог всех событий, произошедших в прошлом", - сказал Бен Гилл, доцент кафедры геохимии осадочных пород и соавтор статьи. "И это ключевое событие, когда мы перешли от экосистем с преобладанием прокариот - клеток, гораздо более простых, чем те, что находятся в наших телах, - к эукариотам. Если бы этого не произошло, нас бы сегодня здесь не было".

Предыдущие исследования были посвящены роли фосфора в развитии эукариот, но Джуньяо Канг, докторант факультета геонаук и ведущий автор статьи, заинтересовался тем, какую роль в этом событии сыграл азот.

"Эти данные уникальны, потому что данные по изотопам азота практически отсутствуют по раннему неопротерозойскому периоду, или между миллиардом и 800 миллионами лет назад", - говорит Канг.

Сотрудничая с Нанкинским университетом в Наджинге (Китай), Канг в течение двух лет работал над тем, чтобы понять, что способствовало появлению эукариот, путем анализа изотопов азота в образцах пород из Северо-Китайского кратона. Этот регион, в котором залегают породы, датируемые 3,8 миллиарда лет назад, когда-то был покрыт океаном.

"У нас были приблизительные представления о том, когда эукариоты стали экологически успешными", - говорит Шухай Сяо, профессор геобиологии и соавтор статьи. "Они долгое время находились там в скромном статусе, пока около 820 миллионов лет назад их не стало много".

Канг решил узнать, почему. Он взял данные из образцов пород, ввел их в большую базу данных и проанализировал их в более длительном временном масштабе, охватывающем различные географические районы.

"Как только мы провели такую интеграцию и объединили данные в общую картину, мы увидели рост нитратов во времени, который произошел около 800 миллионов лет назад", - говорит Канг.
Надежное сотрудничество

Совместный международный подход стал ключом к тому, чтобы связать эти новые данные с биологическими событиями, главным образом, с появлением эукариот.

Гилл и Рейчел Рид, геохимик из Колледжа естественных наук и соавтор статьи, обеспечили критический анализ с помощью ресурсов, включая масс-спектрометр в Лаборатории стабильных изотопов геонаук Вирджинского технологического института. Элементный анализатор, соединенный с масс-спектрометром, позволил исследователям извлечь из образцов чистый азотный газ для анализа.

Гилл специализируется на реконструкции современных и прошлых химических циклов на нашей планете. Он сотрудничает с палеонтологами в изучении записей жизни, сохранившихся в геологической летописи, и исследует, какие потенциальные факторы окружающей среды могли способствовать изменениям в жизни на протяжении истории.

Рид, которая обычно фокусирует свои исследования на недавних событиях на Земле, имела особую возможность предложить свои знания в области изотопов азота для этих древних окаменелостей.

Фейфей Чжан, геохимик из Нанкинского университета, был четвертым соавтором статьи. Чжан предоставила информацию о том, сколько кислорода было доступно в океанах в то время, когда нитраты увеличились в изобилии.

Все авторы из Virginia Tech являются сотрудниками Центра глобальных изменений Института наук о жизни имени Фралина, а Канг является научным сотрудником аспирантской программы "Интерфейсы глобальных изменений". Центр объединяет экспертов из различных дисциплин для решения этих сложных глобальных проблем и подготовки следующего поколения лидеров.

Сяо, который помогал раскапывать и изучать некоторые из самых древних окаменелостей со всего мира, сказал, что подобные исследования дают ему надежду на будущие открытия. Члены команды надеются на сотрудничество с НАСА в рамках будущих грантов, таких как программа по экзобиологии, поддерживающая их текущее исследование.

Он также благодарит университетскую библиотеку Вирджинского технологического университета за поддержку публикаций с открытым доступом, таких как Science Advances, которые обеспечивают проверенную подборку исследований, свободно доступных для читателей.

"Мы можем связать точки с изотопным составом азота в древнем прошлом, а затем перейти к следующему шагу и сделать вывод о том, сколько нитратов было доступно для организмов", - сказал Сяо. "А затем мы связываем это с ископаемыми данными, чтобы показать, что существует взаимосвязь".

Хотя древние океаны давно исчезли, то, что происходило в древних океанах, зафиксировано в горных породах, и изучение этих пород обеспечивает связь между историей нашей Земли и настоящим и будущим.

"Геологи изучают горные породы по той же причине, по которой биржевые трейдеры смотрят на кривую Доу-Джонса, принимая решение о продаже или покупке акций. Геологическая история, записанная в горных породах, дает нам важный контекст о глобальных изменениях в будущем", - сказал Сяо.