Колебания кислорода ускорили эволюцию миллиард лет назад

Science Advances: выявлены экстремальные колебания атмосферного кислорода в протерозое

Фото: Dr Emily. G. Mitchell / University of Cambridge

Примерно один миллиард лет назад уровень кислорода подвергался экстремальным колебаниям, что, возможно, создало условия для ускоренной эволюции ранних живых организмов. Это противоречит гипотезе, согласно которой содержание кислорода в атмосфере поднялось до современного значения в течение трех выраженных скачков. К такому выводу пришли ученые Университета Лидса в Великобритании, которые опубликовали исследование в журнале Science Advances.

Предыдущие исследования морских отложений выявили, что Земля испытала ступенчатое увеличение содержания молекулярного кислорода в атмосфере в течение протерозоя (от 2,5 миллиарда до 538 миллионов лет назад). Первый из этапов — Великое окисление (GOE) — произошел примерно от 2,43 до 2,22 миллиарда лет назад. Третий этап называется событием палеозойской оксигенации (POE) и имел место в период от 450 до 400 миллионов лет назад, когда уровень кислорода поднялся до современных значений. В то же время остается под вопросом, когда именно произошел второй скачок — событие неопротерозойской оксигенации (NOE) — и соответствовал ли он гипотезе ступенчатого характера увеличения концентрации кислорода.

Исследователи реконструировали изменение концентрации кислорода в атмосфере от 1500 миллионов лет назад до наших дней. Для этого они проанализировали изотопный состав осадочных пород мелководных морей, определив соотношение изотопа углерода-13 и изотопа углерода-12. Они рассчитали, какая масса органического и минерального углерода вымывалась с суши в морские экосистемы. Моделирование позволило спрогнозировать содержание кислорода в атмосфере древней Земли на основе рассчитанной скорости этих потоков.

Оказалось, что в неопротерозое уровень кислорода был сильно изменчив и не было простого однонаправленного его повышения. 900 миллионов лет назад содержание кислорода повысилось до более 13 процентов от современного уровня, после чего наступил период аноксии, когда уровень оксигенации резко упал. Затем содержание кислорода вновь начало расти, достигнув 50 процентов от современного уровня 750 миллионов лет назад. Глобальное стертское оледенение около 717-643 миллионов лет назад ограничило приток питательных веществ и солнечного света в океан, что вновь привело к падению уровня кислорода. После того как ледники отступили, оксигенация атмосферы медленно восстановилась.

По словам авторов, результаты согласуются с гипотезой о том, что эволюция наземных растений была ключевым событием, которое в конечном итоге стабилизировало кислород на уровне, близком к современному. Это проложило путь для эволюции морских животных с гораздо более высокой потребностью в молекулярном кислороде — например, крупных хищных рыб. Однако первые морские животные эволюционировали на фоне постоянных колебаний содержания кислорода на глобальном уровне, что могло вызвать сильное давление естественного отбора, вымирание одних групп и появление новых.