Fosfor připravil Zemi na komplexní život a mohl by být cennou biosignaturou

Když se organismy na Zemi vyvinuly k fotosyntéze, vedlo to k velké okysličovací události (Great Oxygenation Event – GOE), kdy se v zemské atmosféře nahromadil volný kyslík. Kyslík umožnil vývoj složitějšího života, ale bez pronikání fosforu do zemských oceánů by neexistovala žádná GOE ani komplexní život.

Během prvních tří miliard let se Země sotva podobala současné planetě, alespoň co se týče atmosféry. Nebyl na ní žádný volný kyslík a v atmosféře, stejně jako dnes, dominoval dusík. Obsah oxidu uhličitého byl mnohem vyšší, možná i stokrát. Byla zde také vodní pára a stopová množství vodíku, oxidu uhelnatého a dalších plynů. Bylo zde také významnější množství metanu.

Metan je klíčový, protože vysvětluje mnoho o tehdejším životě na Zemi. Byl produkován některými z prvních forem života na Zemi, nazývanými methanogeny. Metan je vedlejším produktem toho, jak tyto rané formy života generovaly energii v atmosféře bez kyslíku.

To vše se změnilo během velké okysličovací události. Ta začala asi před 2,4 miliardami let, kdy se objevil nový typ života. Tyto nové mikroby, zvané sinice, využívaly fotosyntézu k výrobě energie a jejich vedlejším produktem nebyl metan, ale kyslík. Trvalo to stovky milionů let práce sinic, ale nakonec se v atmosféře nahromadil dostatek volného kyslíku.

To vedlo ke vzniku složitého života. Když se v atmosféře objevil kyslík, umožnilo to životním formám získat mnohem více energie. Vyšší energetický výtěžek z dýchání je považován za hlavní faktor v evoluci komplexního, mnohobuněčného života.

Nový výzkum však ukazuje, že k velké oxidační události by nedošlo bez rychlého objevení se dalšího kritického prvku: fosforu. Výzkum s názvem „Mořský fosfor a atmosférický kyslík byly spojeny během velké oxidační události“ je publikován v časopise Nature Communications. Hlavním autorem je Matthew Dodd z University of Western Australia's School of Earth and Oceans.

Tento přiložený obrázek ukazuje na časové ose vývoj geosféry (kontinentů), biosféry a atmosféry. Vědci vědí, že GOE nebyla jednoduchá, lineární událost, jak je zde znázorněno. Během GOE došlo k několika výkyvům v různých částech oceánů.

Mnoho věcí je považováno za klíčové pro život. Uhlík je jednou z nich a život na Zemi se kvůli němu nazývá život založený na uhlíku. Ve skutečnosti jsou všechny organické chemikálie v CHNOPS – uhlík, vodík, dusík, kyslík, fosfor a síra – pro život nezbytné. Tento nový výzkum však poukazuje na klíčovou roli, kterou fosfor hraje v GOE a vzniku složitého života.

Země má dostatek fosforu. Je to 11. nejhojnější prvek v zemské kůře. Je také hojně zastoupen v živých organismech a tvoří páteř DNA. Navzdory svému hojnému výskytu je však také omezený. Až 99 % zemského fosforu je uzamčeno v zemském jádru, protože je rozpustný v kovech. Tento fosfor nikdy nebude k dispozici pro život.

Nový výzkum však ukazuje, že bylo k dispozici dostatek fosforu, aby se pravidelně hromadil v oceánech. Fosfor spustil následné rozkvěty fotosyntetických mikrobů, které během GOE následně vytvořily více volného kyslíku v atmosféře.

„Tím, že tyto fosforové průniky podpořily rozkvěty fotosyntetických mikrobů, podpořily pohřbívání organického uhlíku a umožnily akumulaci kyslíku ve vzduchu, což byl zlomový bod, který nakonec umožnil vznik složitého života,“ uvedl Matthew Dodd v tiskové zprávě.

Fosfor, jakožto životně důležitý organický prvek, působí jako škrticí mechanismus biologické aktivity. Více fosforu znamená vyšší biologickou aktivitu, méně fosforu zase nižší biologickou aktivitu. Aby vědci mohli změřit hladiny fosforu ve starověkých oceánech, museli provést určité pátrání.

GOE byla komplexní, mnohovrstevnatá událost, která se odehrávala v průběhu času a zdůraznila vazby mezi geologií a kontinentální aktivitou, životem a chemií atmosféry a oceánu. Pásovité železité formace patří k nejsilnějším důkazům podporujícím GOE. Jsou to střídající se vrstvy oxidů železa a železem chudého rohovce. Vznikly v mořské vodě v důsledku kyslíku produkovaného fotosyntetickými bakteriemi.

Výzkum je založen na starověkých karbonátových horninách. Karbonáty neboli uhličitany jsou sedimentární horniny, které se obvykle tvoří v mořském prostředí. Vápenec a dolomit jsou dva nejběžnější typy. Karbonáty poskytují důležité údaje pro studium paleoklimatologie.

„Uhličitanové minerály začleňují prvky do své krystalické struktury úměrně k jejich koncentraci v mořské vodě,“ vysvětlují autoři. „Na základě tohoto předpokladu je možné odhadnout koncentrace fosforu ve starověkém moři pomocí koncentrace fosfátu v uhličitanových minerálech s ohledem na chemii okolní mořské vody (např. pH, zásaditost a teplotu) a mineralogii, které také hrají roli v příjmu prvků uhličitanovými minerály.“

V této práci se vědci zaměřili na fosfát asociovaný s uhličitanem (CAP), což je ukazatel hladin fosfátů v oceánech, který vědci používají k rekonstrukci těchto hladin ve starověkých oceánech Země. Zjistili, že CAP sleduje izotopové signatury uhlíku, které zaznamenávají biologickou aktivitu a sekvestraci (oddělení) uhlíku v hornině.

Dodd a jeho kolegové provedli tisíce simulací. Ukázali, že když došlo k přechodnému zvýšení dostupného fosforu v oceánu, došlo k rychlému okysličení spolu s izotopovými uhlíkovými otisky v hornině.

„Zde používáme zástupný model uhličitanu asociovaného s fosfátem (CAP) k rekonstrukci koncentrací oceánského fosforu během GOE z globálně distribuovaných sedimentárních hornin,“ píší autoři ve svém výzkumu. „Zjistili jsme, že CAP a složení anorganických izotopů uhlíku v mořských sedimentech se během GOE měnily, což naznačuje synchronní fluktuace mořského fosforu, biologické produktivity a atmosférického O₂.“

Fosfor způsobil rozkvět fotosyntetického života v oceánech, což vedlo k větší produkci kyslíku v atmosféře. A jak se v horninách vázalo více uhlíku, vytvářelo se ještě více volného kyslíku. Zřejmá otázka zní: „Odkud se fosfor vzal?“

Fosfát byl přítomen ve starověkých oceánech, ale chemicky nebyl dostupný. V prekambriu železo fosfát vázalo a uzamykalo. Dostupnost síranů byla také omezená a sírany napomáhají efektivní recyklaci organicky vázaného fosforu. Výzkum však ukázal, že alespoň u části organicky vázaného organického uhlíku (GOE) byla tato omezení uvolněna. To otevřelo prostor pro dostupný fosfor a podpořilo hromadění volného kyslíku v atmosféře.

„Kyslík je tvrdou měnou komplexního života a když se v raných oceánech zvýšila hladina fosforu, fotosyntéza se zrychlila,“ řekl Dodd. „Když se pohřbilo více organického uhlíku, vedlo to k uvolnění dalšího kyslíku, který se mohl hromadit v atmosféře, a tak se Země poprvé zhluboka nadechla.“

Studium podrobné historie Země může také pomoci při studiu exoplanet a potenciálních biosignatur. Z pádných důvodů se astrobiologové zaměřují na kyslík jako biosignaturu. Na Zemi se atmosférický kyslík zvyšoval s tím, jak ho život generoval.

Kyslík však může vznikat i abioticky a tato práce poukazuje na fosfor jako potenciální biosignál kvůli jeho škrticímu účinku na biologickou aktivitu.

„Astronomové stále častěji považují atmosféry bohaté na kyslík za hlavní cíle při hledání života mimo Zemi, ale kyslík může v principu vznikat i bez biologie,“ řekl Dodd. „Identifikací živinového škrticího orgánu, který propojuje oceány, biologii a atmosféru, nabízíme testovatelnou biologickou cestu pro tvorbu a udržení kyslíku na živých světech.“

„Poskytujeme také rámec pro interpretaci detekcí kyslíku na planetách mimo Sluneční soustavu,“ uzavřel Dodd.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/phosphorus-prepared-earth-for-complex-life-and-could-be-a-valuable-biosignature

autor: František Martinek