Около 390 миллионов лет назад в древнем океане морские животные начали заселять ранее необитаемые глубины. Новые исследования показывают, что эта подводная миграция произошла в ответ на постоянное повышение уровня кислорода в глубоких водах океана, вызванное распространением на суше древесных растений — предшественников первых лесов Земли.
Рост уровня кислорода совпал с периодом замечательной диверсификации рыб с челюстями — предков большинства позвоночных, живущих сегодня. Результаты исследования указывают на то, что насыщение кислородом могло формировать эволюционные модели среди доисторических видов.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Известно, что кислород является необходимым условием для эволюции животных, но степень, в которой он является достаточным условием, способным объяснить тенденции в диверсификации животных, трудно определить», — сказал соавтор исследования Майкл Кипп, доцент кафедры наук о Земле и климате в Школе окружающей среды Университета Дьюка. «Это исследование убедительно доказывает, что кислород определял время ранней эволюции животных, по крайней мере, для появления челюстных позвоночных в глубоководных средах обитания».
Этапы насыщения океана кислородом
Некоторое время исследователи полагали, что насыщение глубоких вод океана кислородом произошло однажды в начале палеозойской эры, около 540 миллионов лет назад. Но более поздние исследования показали, что насыщение кислородом происходило поэтапно: сначала прибрежные воды стали пригодными для дыхания организмов, а затем — более глубокие среды.
Кипп и его коллеги определили время этих этапов, изучая осадочные породы, которые образовались под глубоководной морской водой. Они проанализировали породы на содержание селена — элемента, который можно использовать для определения наличия кислорода на уровне, поддерживающем жизнь в древних морях.
В морской среде селен встречается в различных формах, называемых изотопами, которые различаются по весу. Там, где уровни кислорода достаточно высоки для поддержания жизни животных, соотношение тяжёлых и лёгких изотопов селена сильно различается. Но при уровнях кислорода, препятствующих жизни большинства животных, это соотношение относительно стабильно.
Работая с исследовательскими репозиториями по всему миру, команда собрала 97 образцов пород, возраст которых составляет от 252 до 541 миллиона лет назад. Порода была извлечена из районов на пяти континентах, которые сотни миллионов лет назад располагались вдоль внешних континентальных шельфов — краёв континентов, выступающих под водой, перед крутым обрывом.
Данные показали, что в более глубоких водах внешних континентальных шельфов произошло два эпизода насыщения кислородом: кратковременный эпизод около 540 миллионов лет назад, в палеозойский период, известный как кембрийский, и эпизод, начавшийся 393–382 миллиона лет назад, в период, называемый средним девоном, который продолжается до сих пор. В течение промежуточных тысячелетий уровень кислорода снижался до уровня, непригодного для большинства животных.
«Данные по селену говорят нам о том, что второй эпизод насыщения кислородом был постоянным. Он начался в среднем девоне и сохранился в наших более молодых образцах пород», — сказала соавтор исследования Кунмани «Мак» Бубпхамане, кандидат наук в Вашингтонском университете.
Это событие совпало с многочисленными изменениями в эволюции океана и экосистемах — тем, что некоторые исследователи называют «среднепалеозойской морской революцией». По мере того как кислород становился постоянной характеристикой более глубоких сред, рыбы с челюстями, называемые гнатостомами, и другие животные начали заселять и диверсифицировать такие среды обитания, согласно ископаемым останкам. Животные также стали крупнее, возможно, потому, что кислород поддерживал их рост.
Средний девонский эпизод насыщения кислородом также совпал с распространением растений с твёрдыми древесными стеблями.
«Мы считаем, что по мере увеличения количества этих древесных растений они выделяли больше кислорода в атмосферу, что приводило к повышению уровня кислорода в более глубоких океанских водах», — сказал Кипп, который начал это исследование в качестве аспиранта в Вашингтонском университете.
Причина первого, временного эпизода насыщения кислородом в кембрийский период более загадочна.
«Очевидно, что падение уровня кислорода после этого первоначального импульса препятствовало распространению и диверсификации морских животных в более глубоких средах внешних континентальных шельфов», — сказал Кипп.
Хотя основное внимание команды было сосредоточено на условиях древнего океана, их выводы актуальны и сегодня.
«Сегодня в океане достаточно кислорода в равновесии с атмосферой. Но в некоторых местах уровень кислорода в океане может снижаться до неопределимых значений. Некоторые из этих зон возникают в результате естественных процессов. Но во многих случаях они вызваны питательными веществами, стекающими с континентов из-за удобрений и промышленной деятельности, которые способствуют цветению планктона, поглощающего кислород при разложении», — сказал Кипп.
«Эта работа очень чётко показывает связь между кислородом и жизнью животных в океане. Это баланс, достигнутый около 400 миллионов лет назад, и было бы обидно нарушить его сегодня за несколько десятилетий».
Предоставлено: Университет Дьюка.