Теплый климат древней Земли объяснили за счет экзотического фотосинтеза

Климат древней Земли — один из наиболее сложных с научной точки зрения вопросов в ее истории. 4 миллиарда лет назад Солнце было минимум на 25% тусклее сегодняшнего (это известно из наблюдений за остальными желтыми карликами). Если сейчас Солнце будет светить на четверть слабее, температура на Земле может упасть до уровня, сопоставимого с марсианским (вплоть до –50 °С и ниже), ледники распространятся до тропиков, в результате чего поверхность планеты станет малопригодной для жизни. 

Однако геологические данные о древней Земле вовсе не говорят о таком холоде. Более того, климат на планете, скорее всего, был теплее нынешнего, поскольку в доступных ученым данных нет никаких следов ледяных полярных шапок. Это расхождение между расчетом и геологической информацией называют парадоксом слабого молодого Солнца. Это ключевой момент в понимании истории жизни на Земле, а также условий, при которых возможна жизнь на других планетах.

Ранее ученые предлагали несколько разных гипотез для разрешения парадокса слабого молодого Солнца. Согласно одной из них, атмосфера ранней Земли была плотнее нынешней и это позволяло планете удерживать больше тепла. Однако по размерам пузырьков воздуха в застывшей миллиарды лет назад лаве выяснилось, что на деле атмосфера тогда была в два раза менее плотной, чем сейчас, что еще больше усугубило парадокс. 

Еще одна гипотеза объясняла парадокс за счет повышенного содержания СО₂ в атмосфере. Но это противоречит геохимии планеты, согласно которой слишком большое количество этого газа в условиях теплого климата не может содержаться в атмосфере, поскольку при высоких температурах углекислый газ эффективно связывается горными породами. Именно туда отправлялись бы его излишки. Альтернативная гипотеза предлагала на роль главного парникового газа древности метан. Как парниковый газ он намного сильнее СО₂, но он не может долго сохраняться в атмосфере, поскольку его разлагает ультрафиолет.

Авторы новой работы попытались смоделировать влияние биосферы ранней Земли на атмосферу, учитывая возможное взаимодействие разных видов аноксигенных (не вырабатывающих кислород) фотосинтезирующих организмов. Они рассмотрели два возможных сценария таких взаимодействий. В первом основой пищевой пирамиды на планете были фотосинтезирующие организмы, использующие водород (а не воду, как современные растения) как источник электронов и при этом не выделяющие кислород. Во втором сценарии в пищевую цепочку добавили еще два типа организмов: те, что используют в фотосинтезе ионы железа, окисляя их при этом (также не выделяя кислород), и те, которые восстанавливают окисленное железо обратно, до чистого железа. Все обозначенные виды одноклеточных организмов присутствуют на Земле сегодня и, как считается, возникли в глубокой древности.

Расчеты авторов показали, что фотосинтезирующие организмы, окисляющие железо, из второго сценария радикально изменили моделируемый состав атмосферы планеты. Это происходило потому, что после смерти соответствующих организмов их должны разлагать микробы-метанотрофы. При этом они должны выделять метан, который попадает таким образом в атмосферу, где его расщепляет ультрафиолет. При этом выделяется водород, который потребляет уже иная группа организмов — те, что фотосинтезируют, используя водород. На современной Земле это главным образом пурпурные бактерии и зеленые серобактерии.

Второй сценарий, с фотосинтетиками, восстанавливающими железо, показал, что в этом случае средняя температура на планете была бы на 10-15 градусов выше, чем в первом сценарии. Кроме того, она не падала бы ниже 17 °С, то есть была заметно выше, чем сегодняшняя (~15 °С). Такие температуры в моделировании получались благодаря высокому содержанию метана в атмосфере: во втором сценарии его было в несколько раз больше, чем в первом.

Таким образом, железопотребляющие фотосинтезирующие одноклеточные на древней Земле могли быть ключевым фактором, который обеспечивал стабильный и теплый климат. Их роль в чем-то похожа на роль современных дышащих кислородом гетеротрофов, которые выделяют углекислый газ и стимулируют таким образом фотосинтез растений-автотрофов.

Новая модель не только объясняет, почему климат на древней Земле, которую Солнце освещало довольно тускло, был достаточно теплым, но и заметно меняет оценки обитаемых зон для экзопланет. Получается, что многие экзопланеты, которые, по расчетам астрономов, получали от своей звезды мало энергии, на самом деле могут подолгу оставаться теплыми и обитаемыми только благодаря своей биосфере.