Воздух качался, как маятник: планета дышала рывками, и каждый вдох создавал новый мир

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.

Три акта кислородной драмы Земли

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.

Как учёные узнали о колебаниях

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.

Эдиакарская биота — свидетели перемен

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.

Колебания как двигатель эволюции

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.

Сравнение: стабильная и динамичная Земля

Эволюционное давление в действии

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 → Последствие → Альтернатива

• 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.

3 интересных факта

1. Великое кислородное событие стало причиной первого массового вымирания микробов, не приспособленных к кислороду.

2. Современные океаны по-прежнему испытывают "кислородные ямы" — зоны с минимальным содержанием O₂.

3. Учёные предполагают, что именно колебания кислорода могли создать условия для появления фотосинтеза у сложных организмов.

Исторический контекст

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.