Орбита Земли заставляла океаны "дышать" — миллионы лет атмосфера получала странные всплески кислорода

Орбита нашей планеты никогда не была идеально стабильной, и эти небесные колебания могли сыграть ключевую роль в развитии жизни. Новое исследование, проведённое учёными Китайской академии наук (CAS), показывает, что медленные орбитальные циклы Земли вызывали регулярные всплески кислорода в атмосфере и океанах, происходившие примерно каждые два-три миллиона лет. Об этом сообщает Science China Earth Sciences.

Когда орбита диктовала дыхание океанов

Эти импульсы кислорода, по мнению исследователей, могли задать темп для одного из величайших событий в истории биосферы — кембрийского взрыва, когда сложная животная жизнь впервые стала быстро распространяться по морям.

До этого было известно, что кембрийская биота развивалась неравномерно, в серии всплесков, каждый из которых добавлял новые формы организмов и биохимические стратегии. Геохимические данные из Сибири указывали, что периоды биоразнообразия совпадали с изменениями в изотопах углерода и серы — индикаторами кислородных колебаний.

Но что заставляло кислород "дышать" в таком ритме, оставалось загадкой. Команда под руководством Чжана предложила неожиданный ответ: причина скрыта в орбитальных изменениях Земли, которые влияли на климат и химические циклы океанов.

Изотопные следы древних дыханий

Учёные исследовали карбонатные породы Сибири, возрастом от 525 до 512 миллионов лет, анализируя изотопы углерода и серы. Эти данные позволили реконструировать, как менялась оксигенация океанов и атмосферы.

"Наши результаты показывают, что орбитальные колебания могли управлять биогеохимическими циклами, создавая повторяющиеся импульсы кислорода в океанах", — отмечает Чжан, ведущий автор работы.

Команда применила спектральный анализ, чтобы выявить цикличность в древних данных. Результаты показали ритмы длиной 2,6 миллиона лет и дополнительные — около 1,2 и 4,5 миллиона. Эти значения удивительно точно совпадают с известными циклам Миланковича, которые определяют форму и наклон земной орбиты.

Чтобы проверить гипотезу, исследователи создали климатическую модель, учитывающую выветривание пород, доставку питательных веществ в океан и реакции между углеродом, серой и кислородом. Моделирование подтвердило: даже небольшие изменения солнечного потока могли запустить крупные сдвиги в оксигенации.

Когда солнце управляет морской химией

Долгосрочные орбитальные циклы влияют на распределение солнечной энергии по широтам, вызывая изменения температуры и климата. В раннем кембрии, когда климат был тёплым и уровень CO₂ высоким, такие циклы могли существенно менять потоки тепла в полярных регионах.

Когда температура в высоких широтах повышалась, ускорялось континентальное выветривание - процесс разрушения горных пород, который высвобождает фосфор и другие питательные вещества. Они попадали в океаны, подпитывая фотосинтезирующие организмы.

Эти микроскопические формы жизни создавали органическое вещество, часть которого оседала на морском дне. Чем больше углерода погребалось, тем больше кислорода оставалось в атмосфере и воде. Так возникали повторяющиеся кислородные импульсы, совпадавшие с орбитальными циклами.

Похожие процессы, как показывают современные наблюдения за океанами, до сих пор формируют химический баланс планеты — аналогично тому, как рентгеновская спектроскопия раскрывает состав звёзд в исследовании XRISM и Cas A.

Малые резервуары — большие эффекты

Один из самых интересных выводов связан с низким содержанием сульфата в морской воде кембрийского периода. Сульфат — это растворённая форма серы, которая стабилизирует химические реакции в океане.

Тогда его уровень был намного ниже современного, а значит, "резервуар серы" был мал и легко смещался. В таких условиях даже небольшие колебания орбитального происхождения могли резко менять баланс между восстановленными и окисленными веществами.

Модели показали, что пульсирующие притоки питательных веществ при малом резервуаре серы вызывали синхронные колебания в углероде, сере и кислороде — и именно этот механизм мог подталкивать эволюционные всплески.

Подобные явления наблюдались и позже, в девонском периоде, когда орбитальные и химические циклы также влияли на климат и морские экосистемы.

Как кислород готовил путь к жизни

На ранних стадиях палеозоя уровень кислорода оставался умеренным. Но даже небольшие дополнительные его порции могли расширять зоны пригодные для жизни в океане. Это позволяло развиваться новым типам организмов, особенно роющим животным, которые начали активно изменять морские осадки.

"Даже скромное увеличение кислорода могло изменить экосистемы, позволив организмам выходить за пределы прежних физиологических ограничений", — поясняют авторы исследования.

Таким образом, орбитальные циклы Земли могли задавать темп не только климату, но и биологической эволюции, создавая ритм, в котором океаны "дышали" миллионы лет подряд.

Современные геохимические методы — от изотопного анализа до плазменной спектроскопии — сегодня позволяют отслеживать подобные эффекты и в других системах, например, при исследовании активных форм кислорода в воде.

Плюсы и минусы орбитального влияния

Преимущества:

• Объясняет повторяющиеся геохимические циклы, ранее считавшиеся случайными.
• Объединяет климатические, геохимические и биологические данные в единую модель.
• Даёт новый инструмент для интерпретации изотопных колебаний в древних породах.

Ограничения:

• Требует точных временных привязок, что сложно для кембрийских слоёв.
• Модели зависят от допущений о древней концентрации CO₂ и сульфатов.
• Не учитывает все возможные биологические факторы, такие как вулканизм или эволюция фотосинтеза.

Тем не менее, работа Чжана и его коллег показывает, что даже далёкие небесные ритмы могли оказывать ощутимое влияние на земную биосферу.

Популярные вопросы о кислородных циклах Земли

1. Что такое орбитальные циклы?
Это изменения формы и наклона земной орбиты, которые влияют на распределение солнечной энергии и климатические колебания.

2. Почему они важны для жизни?
Они определяют периоды похолоданий и потеплений, изменяя поставку питательных веществ и уровень кислорода в океанах.

3. Как это связано с кембрийским взрывом?
Колебания кислорода, вызванные орбитальными циклами, создавали ритм, в котором появлялись новые формы животных и экосистемы.

Ритм космоса и дыхание Земли

Новое исследование объединяет геологию, астрономию и биологию, показывая, что космическая механика может быть не только источником приливов и сезонов, но и катализатором жизни.

Орбита Земли, казалось бы, далёкая от живых существ, оказывала влияние на самые глубокие биохимические процессы, определяя, когда океаны насыщались кислородом, а когда возвращались к застойным состояниям.

Эти ритмы продолжаются и сегодня — напоминая, что жизнь на планете всегда была тесно связана с дыханием космоса.