Исследователи из Департамента наук о Земле Сиракузского университета подтвердили, что повышение уровня кислорода в океане и атмосфере сопровождалось развитием морской жизни сотни миллионов лет назад.
Вани Лу, доктор философии. кандидат, учится у доцента Зунли Лу (не родственник) в Колледже искусств и наук, является ведущим автором новаторской статьи в журнале Science (Американская ассоциация содействия развитию науки, 2018 г.).
Доклад основан на многолетних многонациональных исследованиях под руководством Зунли Лу, которые переосмысливают причины и последствия повышенной оксигенации на континентальных шельфах в течение текущего фанерозойского эона, который начался более 542 миллионов лет назад.
«Большинство исследований истории кислорода сосредоточены на атмосфере и глубоких океанах, что имеет значение для эволюции жизни», - говорит Зунли Лу. «Мы считаем, что уровень океанического кислорода в толще воды над континентальным шельфом [то есть в верхних слоях океана] мог быть другим зверем».
Центральным элементом исследования группы был геохимический показатель, который Лу впервые применил в 2010 году. Используя новый подход, основанный на геохимии йода, он и его коллеги измерили отношение йода к кальцию в минералах карбоната кальция и окаменелостях.
Тимоти Лайонс, заслуженный профессор биогеохимии Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR), считает геохимию йода «мощным инструментом» для ограничения кислородных условий в поверхностных и приповерхностных условиях древнего океана.«Это воды, в которых впервые появились самые ранние животные, эволюционировали и продвинулись к сложной экологии», - говорит он. «Результаты этого исследования показывают невообразимую ранее динамику окружающей среды в тех ранних водах, и эти условия, должно быть, повлияли на животных».
Лу воспринимает похвалу спокойно, но настаивает на том, что выводы группы являются новыми. «Верхний океан стал хорошо насыщен кислородом гораздо позже, чем предполагалось изначально», - говорит он.
Геохимик из Сиракуз иллюстрирует свою точку зрения, описывая густую дымку метана, которая первоначально окутала планету, практически не оставляя кислорода в атмосфере. Фотосинтезирующие микробы в конечном итоге произвели достаточное количество химической энергии, в результате чего в атмосфере накапливался свободный кислород. «Это подготовило почву для Великого события окисления около 2,3 миллиарда лет назад», - говорит он.
С оксигенацией произошло появление многоклеточных форм жизни в течение следующего миллиарда лет. Среди них были эукариоты, чья генетическая информация хранилась в связанном с мембраной ядре или ядрах.
Вопрос, который занимал всех, особенно Ваньи Лу, заключался в том, как и когда глобальный океан стал достаточно насыщенным кислородом, чтобы вместить разнообразные морские формы жизни, в том числе живущие сегодня.
"Наши данные по йоду согласуются со значительным повышением уровня кислорода в атмосфере, которое произошло около 400 миллионов лет назад", - говорит Лу, чьи докторские исследования посвящены низкотемпературной геохимии и глобальным изменениям окружающей среды. «Тем не менее, уровень кислорода в верхних слоях океана не стабилизировался в условиях, близких к современным, до 200 миллионов лет назад, когда более крупный эукариотический планктон доминировал в мировом океане. Время вполне логично».
Чтобы понять такие наблюдения в каменной летописи, нужно понимать крупномасштабные биогеохимические и океанографические процессы, а также химический состав атмосферы. «Мы изучили роль этих двух элементов управления в верхних слоях океана, используя сложную модель системы Земли [ESM] с интересным названием: GENIE, что является сокращением от «Интегрированная Земля с поддержкой сети», - говорит Зунли Лу.
Энди Риджвелл, профессор наук о Земле UCR, разработал структуру моделирования сигнатур GENIE, которая включает в себя ряд симуляций ESM в различных временных масштабах. «Инновационный способ, которым команда из Сиракуз объединила измерения древних горных пород со сложной математической моделью глобальной климатической системы и углеродного цикла, был впечатляющим», - говорит он.
Риджвелл высоко оценивает основной вывод окончательного анализа команды - фундаментальные изменения в эукариотах привели к большей глубине реминерализации органического вещества и, в конечном счете, к "устойчиво насыщенному кислородом" верхнему океану. «Это идеально согласуется с нашим развивающимся пониманием ключевых эволюционных шагов, предпринятых для создания планеты, которую мы имеем сегодня», - говорит Риджвелл, изучающий биогеохимическое моделирование и долгосрочное изменение климата..
Ли Камп, декан Колледжа наук о Земле и минералах в штате Пенсильвания, говорит, что выводы группы являются убедительным напоминанием о том, что теория эволюции Дарвина может быть верна лишь наполовину.«Конечно, изменения в окружающей среде влияют на биологическую эволюцию, но биологические инновации могут влиять на окружающую среду даже в глобальном масштабе», - говорит известный палеоклиматолог.
Но это еще не конец истории. Рос Рикаби, профессор геохимии Оксфордского университета (Великобритания), говорит, что результаты также подтверждают связь между оксигенацией и размером тела морских животных. «Невероятно думать, что растущий успех микроскопического минерализации планктона в океане за счет изменения распределения кислорода мог иметь такие далеко идущие последствия для всей земной системы, чтобы увеличить средний размер тела животных», - говорит она.. «Это напоминает нам о сложной взаимосвязи между каждой частью морской экосистемы».
Зунли Лу добавляет: «Это яркий пример совместной эволюции жизни и планеты».