Учёные из Великобритании установили, что уровень кислорода на Земле миллиард лет назад изменялся неравномерно — то повышаясь, то резко падая. Эти колебания могли создать условия, которые ускорили появление первых животных.
Результаты опубликованы в журнале Science.
Согласно геохимическим данным, насыщение атмосферы кислородом происходило в три больших этапа. Первый — Великое кислородное событие, около двух миллиардов лет назад, когда кислород впервые стал заметным компонентом атмосферы. Второй этап пришёлся на неопротерозойскую эру (примерно 1 миллиард — 541 миллион лет назад), когда начали формироваться многоклеточные организмы. И третий — около 400 миллионов лет назад, когда уровень кислорода достиг современного значения.
Долгое время вторую фазу считали "молчаливой" — с устойчиво низким содержанием кислорода. Но новое исследование поставило это под сомнение.
"Ранняя Земля в течение первых двух миллиардов лет своего существования была бескислородной, в атмосфере не было кислорода", — отметил специалист по биогеохимическому моделированию Алекс Краузе из Университета Лидса.
По его словам, изменения не были линейными — уровень кислорода постоянно "скакал", создавая череду благоприятных и экстремальных условий для жизни.
Команда исследователей из Университета Лидса при участии коллег из Лиона, Эксетера и Университетского колледжа Лондона анализировала изотопы углерода в древних известняках, найденных на мелководье. Соотношение изотопов позволило реконструировать уровень фотосинтеза, а значит, и концентрацию кислорода в древней атмосфере.
Так учёные создали временную шкалу изменений содержания кислорода за последние 1,5 миллиарда лет. На ней видно, как периоды обогащения и обеднения кислородом чередовались задолго до появления животных.
"До недавнего времени учёные считали, что уровень кислорода был стабильно низким, а затем резко возрос перед появлением животных. Но наше исследование показывает, что он был гораздо более динамичным", — подчеркнул Алекс Краузе.
Самые ранние многоклеточные организмы — эдиакарская биота обитали в океанах 541-635 миллионов лет назад. Эти существа уже нуждались в кислороде, и колебания его уровня могли сильно влиять на их распространение.
Исследование показало, что в периоды, когда океаны насыщались кислородом, такие организмы активно развивались и заселяли новые пространства. А когда уровень кислорода снижался, экосистемы испытывали давление, приводящее к вымиранию части видов.
Руководитель проекта, доктор Бенджамин Миллс из Университета Лидса, объясняет, что именно такие нестабильные условия могли запустить механизмы естественного отбора.
"Эти периодические изменения условий окружающей среды привели к эволюционному давлению, в результате которого некоторые формы жизни могли исчезнуть, а другие — появиться", — отметил Бенджамин Миллс.
Учёные считают, что периоды повышения уровня кислорода расширяли "пригодные для жизни пространства" — зоны океана, где могли существовать живые организмы. Когда кислород снижался, выживали лишь наиболее приспособленные виды.
"Когда уровень кислорода снижается, некоторые организмы испытывают серьёзное давление со стороны окружающей среды. А когда богатые кислородом воды расширяются, освободившееся пространство позволяет выжившим организмам занять доминирующее положение", — пояснил Бенджамин Миллс.
Таким образом, чередование кислородных подъёмов и спадов могло стать естественным катализатором биологического разнообразия.
| Параметр | Стабильный уровень кислорода | Динамичные колебания кислорода |
|---|---|---|
| Темпы эволюции | Медленные, постепенные | Ускоренные, с "скачками" разнообразия |
| Видовое разнообразие | Низкое | Высокое |
| Риск вымирания | Минимальный | Повышенный, но с последующим восстановлением |
| Воздействие на экосистемы | Устойчивые, но ограниченные | Гибкие, адаптивные, быстро изменяющиеся |
Учёные полагают, что именно в такие периоды нестабильности природа "экспериментировала" с формами жизни. Колебания кислорода создавали ситуацию, когда одни виды исчезали, а другие заполняли освободившиеся ниши. Это позволяло жизни постоянно развиваться и усложняться.
По сути, резкие изменения среды могли сыграть ту же роль, что и современные климатические кризисы, — быть болезненными, но движущими силами эволюции.
Ошибка: считать раннюю Землю статичной и предсказуемой.
Последствие: недооценка роли внешней среды в эволюции.
Альтернатива: рассматривать динамику атмосферы как ключевой фактор развития жизни.
Ошибка: полагать, что жизнь возникла только после стабилизации климата.
Последствие: искажение понимания ранней биосферы.
Альтернатива: учитывать, что переменные условия могли быть стимулом, а не преградой.
Ошибка: игнорировать влияние кислорода на генетические мутации.
Последствие: упрощённые модели эволюции.
Альтернатива: включать химическую динамику атмосферы в расчёты темпов изменений.
Великое кислородное событие стало причиной первого массового вымирания микробов, не приспособленных к кислороду.
Современные океаны по-прежнему испытывают "кислородные ямы" — зоны с минимальным содержанием O₂.
Учёные предполагают, что именно колебания кислорода могли создать условия для появления фотосинтеза у сложных организмов.
Переломный момент в развитии жизни произошёл около 600 миллионов лет назад, когда Земля вышла из эпохи ледников и начала "дышать" по-новому. Эдиакарская биота стала первым опытом природы по созданию сложных многоклеточных организмов. И именно неустойчивый кислородный фон дал этим экспериментам шанс на успех.
Современные модели показывают, что без этих "дыхательных качелей" эволюция могла бы продвигаться в десятки раз медленнее.