Химия Мирового океана зависит от присутствия в воде и в атмосфере кислорода. Этот активный компонент способен вступать в реакцию с различными элементами и соединениями, изменяя их концентрацию и круговорот в природе, что отражается на составе осадочных пород и на комплексах ископаемых организмов. Лабораторные анализы образцов пород той или иной эпохи позволяют оценить содержание химических элементов, их соединений и изотопов в древней морской воде и донных осадках. А так как океан взаимосвязан с атмосферой, то и о составе древней атмосферы можно судить по результатам такого анализа.
Исследования океанов в рамках проекта NordCEE охватывают всю их историю, начиная с древнейших известных на поверхности Земли осадочных пород формации Исуа в Гренландии. Они образовались более 3,8 млрд лет назад, в архее, на дне древнего бескислородного океана, после окончания периода массированной астероидно-метеоритной бомбардировки Земли. В дальнейшей геологической истории содержание кислорода изменялось неравномерно. Глубины океана содержали огромное количество растворенного железа, которое в практически бескислородной обстановке отлагалось в результате жизнедеятельности микроорганизмов в виде железистых кварцитов.
Лабораторные анализы образцов пород и ископаемых различных геологических эпох позволяет восстановить историю кислорода на Земле, а вместе с ней — и историю биологической эволюции
В начале протерозоя выработка кислорода цианобактериями (сине-зелеными водорослями) привела 2,45-2,2 млрд лет назад к первому значительному событию — увеличению содержания кислорода на Земле. Однако изучение осадочных пород Гренландии и Канады показало, что содержание кислорода испытывало колебания накануне, а в разгар самого события, даже несмотря на обогащение атмосферы кислородом, океан оставался в основном бескислородным. По-прежнему доминировали микробные сообщества, характерные для бескислородных обстановок. Кислородное дыхание является гораздо более эффективным способом получения энергии, чем другие физиологические процессы, в особенности при многоклеточности и крупных размерах, но все еще относительно низкий уровень кислорода в океане существенно ограничивал возможности эволюции эукариот — живых организмом, клетки которых содержат ядра.
Как свидетельствуют находки относительно крупных ископаемых организмов в протерозое (2.5-0,54 млрд лет назад), построение тела из клеток как строительных блоков возникало независимо несколько раз. Некоторые из этих древних групп организмов, такие как красные и зеленые водоросли, существуют и доныне. Исследование методом рентгеновской томографии необычных ископаемых возрастом 2,1 млрд лет из темных сланцев Габона показало, что они, скорее всего, представляли собой один из ранних природных экспериментов с многоклеточностью. Эти, по-видимому, колониальные, эукариоты жили в кислородных мелководно-морских обстановках, тогда как глубинные воды океана в это время все еще оставались насыщенными растворенным железом и были почти бескилородными.
По традиционным представлениям, постепенный рост содержания кислорода привел к связыванию и осаждению избытка растворенного железа в древнем океане. Исследования показали, что одного кислорода для этого было недостаточно. В условиях постепенного роста его содержания в атмосфере именно сульфаты, в избытке приносимые с суши и преобразуемые сульфат-редуцирующими бактериями в сульфиды, способствовали связыванию избытка железа. Таким образом, мировой океан, который существовал 0,8-1,85 млрд лет назад в протерозое, был намного более насыщен сульфидами, чем современный.
Второе крупнейшее событие обогащения поверхности планеты кислородом произошло 0,8-0,54 млрд лет назад в неопротерозое, эре великих оледенений. Некоторые из этих оледенений, судя по их следам, покрывали всю поверхность Земли, делая ее похожей на снежный ком. В неопротерозое эукариоты активно эволюционируют, а к концу неопротерозоя появляются крупные организмы так называемой эдиакарской фауны.
Швейцарское озеро Каданго оказалось хорошей моделью геохимической системы насыщенного сульфидами океана
Фото: Danish National Research Foundation
Для оценки изменения концентрации кислорода в океане применялся анализ содержания геохимически и биологически активных соединений железа, а также соотношения изотопов молибдена в осадочных породах этого времени. Исследования древних осадочных пород в Южной Америке и на острове Ньюфаунленд показали, что начиная примерно с 2 млрд лет назад и почти до конца неопротерозоя по неизвестной пока причине концентрация кислорода в глубинных водах океана снизилась, и они были обогащены растворенным железом, как в архее, а резкое повышение уровня кислорода действительно произошло как раз накануне появления около 575 млн лет назад загадочной эдиакарской фауны. В следующем, кембрийском периоде, наблюдается взрыв разнообразия уже значительно более похожих на современные многоклеточных животных. Однако никаких существенных различий с эдиакарским периодом в геохимии поверхности Земли и в уровне кислорода, которые могли бы соответствовать такому крупнейшему эволюционному событию, геологическая летопись кембрийского периода не фиксирует.
Древнейшие экосистемы не оставили почти никаких следов, так как породы того времени давно исчезли с поверхности Земли в результате геологических процессов. Поэтому не только — пользуясь девизом геологических конгрессов — "умом и молотком" добываются знания о древних океанах и их обитателях.
Другой подход заключается в математическом моделировании, а также в поиске и изучении современных аналогов микробных экосистем далекого прошлого, в масштабах от лабораторной пробирки до естественного водоема. Так, озеро Каданго в Швейцарии, с его сообществами сульфид-окисляющих бактерий в придонных водах, оказалось хорошей моделью геохимической системы насыщенного сульфидами океана, а озеро Матано в Индонезии, с достигающими световой зоны бескислородными и насыщенными железом водами, — уникальным подобием обогащенных железом океанов докембрия.
Согласно традиционной точке зрения, распространение кислородного фотосинтеза бактерий изначально открыло возможности эволюции аэробных микроорганизмов и резко увеличило первичную биопродуктивность. Анализ современных бактериальных сообществ позволил сделать вывод о том, что анаэробные фотосинтезирующие бактерии, окисляющие железо, могли быть важным компонентом древнейшей биосферы, а ее первичная биопродуктивность на основе бескислородного фотосинтеза могла быть сравнима с современной. Появление цианобактерий, таким образом, изначально могло лишь усложнить экосистему древнего океана, но не перестроило ее. То количество кислорода в атмосфере, которое возникало в результате небиологических процессов, было, по-видимому, достаточно для существования сообщества аэробных микроорганизмов и до появления цианобактерий. Лабораторные эксперименты показали, что даже кишечная палочка Escherichia coli, обычно обитающая в богатых кислородом средах, прекрасно способна существовать и при предполагаемых архейских концентрациях кислорода, более чем в сто тысяч раз ниже современных в атмосфере.
Исследователи из Центра NordCEE изучают историю Земли, прежде всего, как геохимики и микробиологи, за что заслужили уже множество научных наград, а директору Центра Дону Канфилду в прошлом году Европейский союз геологических наук вручил медаль имени великого русского ученого-геохимика В.И. Вернадского.