На ранних этапах развития Земли атмосфера не содержала кислорода. Однако железо, растворенное в океанах, окислялось в гигантских количествах и откладывалось в виде горных пород. Сегодня его можно увидеть, например, в виде полосчатой железной руды в Южной Африке.
Новое исследование изучает, как различные бактерии выделяют нерастворимое железо в ходе своих метаболических процессов. Некоторые из них — фототрофные окислители железа — получают энергию, окисляя железо с помощью солнечного света, а другие — реагируя с железом с нитратом в качестве окислителя.
Международная исследовательская группа, в которую входили Кейси Брайс из Бристольского университета, а также Верена Никеляйт и профессор Андреас Капплер, геомикробиологи из Тюбингенского университета, изучили эти процессы и задались вопросом: какие микробы одержали верх в борьбе за железо? Бактерии-конкуренты также использовали оксид азота — токсичный газ.
Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.
Два-три миллиарда лет назад состав атмосферы Земли был совершенно иным.
«В то время океаны содержали огромное количество железа в восстановленной форме. В сегодняшних условиях оно быстро окислилось бы кислородом в атмосфере, образуя ржавые железные минералы», — объясняет Капплер. Хотя в эту раннюю фазу на Земле не было кислорода, огромные залежи железа в породах показывают, что микробы эффективно окисляли его даже тогда.
«До того, как на Земле появился кислород, фототрофные окислители железа образовали огромные залежи оксида железа, известные сегодня как полосчатые железные руды», — говорит Кейси Брайс, руководитель проекта.
«Мы хотели узнать, конкурируют ли эти бактерии с другими окислителями железа, использующими нитрат», — добавляет Брайс. Это привело к вопросам о том, могут ли эти конкурирующие микробы на самом деле сосуществовать, и если да, то кто из них в первую очередь отвечает за окисление железа.
«Чтобы лучше понять ситуацию на ранней Земле, мы провели лабораторные эксперименты», — говорит Верена Никелейт.
Исследовательская группа использовала по одному штамму бактерий каждого из различных окислителей железа и позволила им расти в условиях, которые преобладали два-три миллиарда лет назад, на свету и с теми же концентрациями железа, нитрата и углекислого газа.
«К нашему удивлению, нитрат быстро израсходовался, а железо окислилось. Но мы не смогли обнаружить никакого окисления железа фототрофными окислителями железа», — говорит Никелейт.
Анализы показали, что окислители железа, потребляющие нитрат, образовывали оксид азота в качестве токсичного побочного продукта. Это полностью остановило активность фототрофных окислителей железа. Другими словами, эти микробы убили фототрофных окислителей железа, вырабатывая ядовитый газ.
«Одна из гипотез заключается в том, что фототрофные окислители железа, вероятно, внесли очень небольшой вклад в образование полосчатых железных руд на более поздних этапах истории Земли», — говорит Капплер. Это связано с тем, что деятельность других микробов привела к тому, что атмосфера Земли стала содержать все больше кислорода — своего рода раннее крупное событие загрязнения окружающей среды.
«Это также могло достичь некоторых областей океанов, где в результате мог образоваться нитрат. Наши результаты предоставляют первое экспериментальное доказательство гипотезы о том, что фототрофные окислители железа в областях с высокой продуктивностью могли подвергнуться воздействию токсичного монооксида азота в это время. Они, должно быть, переместились дальше от областей, богатых питательными веществами, и поэтому не смогли отложить столько железа», - объясняют ученые.
По расчетам исследовательской группы, окисление железа бактериями, восстанавливающими нитрат, могло изначально компенсировать снижение вклада фототрофных окислителей железа.
«Таким образом, первоначальная конкуренция между различными бактериями не сразу остановила бы образование полосчатых железистых образований», — говорит Брайс. Для получения более точной картины процессов необходимы дальнейшие измерения и исследования.
«Наше исследование дает представление о том, как обогащение атмосферы Земли кислородом могло повлиять на другие циклы питательных веществ в океанах. Это иллюстрирует сложную сеть биогеохимических взаимодействий, которые контролировали жизнь в ранних океанах Земли», — резюмируют авторы исследования.
