Массовые вымирания на заре истории многоклеточных были связаны с нехваткой кислорода

Пробы были отобраны в Якутии.

Фото Андрея Журавлёва, МГУ имени М.В. Ломоносова.

На месте современной Якутии некогда плескалось море.

Фото Андрея Журавлёва, МГУ имени М.В. Ломоносова.

Кембрийские организмы стали предками всех современных макроскопических животных.

Фото Андрея Журавлёва, МГУ имени М.В. Ломоносова.

Жизнь на Земле возникла как минимум 3,8 миллиарда лет назад, а возможно, и раньше. Но палеонтологическая летопись в течение миллиардов лет не знала никаких или почти никаких следов макроскопических животных. Первое массовое появление таких ископаемых относится к эдиакарской биоте (635–541 миллион лет назад). Но специалисты до сих пор спорят, оставили ли эти экзотические существа ныне живущих потомков.

И вот примерно 524 миллиона лет назад с планетой что-то произошло. В течение 13 миллионов лет появилось огромное разнообразие макроскопических существ с твёрдым скелетом, который хорошо сохранялся в окаменелостях. Это почти мгновенное по геологическим меркам событие называется кембрийским взрывом (по названию кембрийского периода, на который пришлись эти события). Предполагается, что все ныне живущие макроскопические животные, от мухи до человека, являются прямыми потомками возникших тогда организмов.

Однако эти 13 миллионов лет истории жизни протекали не гладко. Взлёты биоразнообразия сменялись массовыми вымираниями, наиболее масштабное из которых сравнимо с мел-палеогеновым, частью которого является исчезновение динозавров, и даже с ещё более грандиозной пермско-триасовой катастрофой.

Какая сила вызвала эти гигантские "волны жизни и смерти"? В научной статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, утверждается, что это колебания уровня кислорода в атмосфере.

Полевой этап работ провели специалисты из России и Китая, а лабораторная часть исследования проходила в научных центрах Великобритании.

Учёные реконструировали содержание живительного газа в воде моря, некогда плескавшегося на месте Якутии. Оказалось, что концентрация кислорода в океане на отрезке 524–512 миллионов лет назад резко менялась, причём периоды массового вымирания совпадают с периодами низкого содержания кислорода.

На месте современной Якутии некогда плескалось море.
На месте современной Якутии некогда плескалось море.
Фото Андрея Журавлёва, МГУ имени М.В. Ломоносова.

В то время территория современной Якутии находилась в тропической зоне, представляла собой отдельный континент и была покрыта густонаселённым морским мелководьем. Больше половины разнообразия ископаемых организмов кембрийского периода были обнаружены именно в карбонатных отложениях Якутии.

"Ленские столбы скалы на реке Алдане превратились в Мекку и своего рода мировую полевую лабораторию палеонтологов и геохимиков. В 2008 году во время проведения международной геологической экскурсии китайские и российские специалисты здесь отобрали образцы карбонатов, послужившие основой для настоящего исследования", – рассказывает соавтор исследования Андрей Журавлёв из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Иногда геологические пробы содержат ископаемые пузырьки воздуха, и в этом случае можно напрямую определить концентрацию кислорода в древней атмосфере. Но для кембрийского периода такие образцы неизвестны. Поэтому авторы рассчитывали уровень O2 косвенными методами.

В каждом из отобранных слоёв учёные измерили соотношение концентраций стабильных изотопов серы (34S/32S) и углерода (13С/12С). Дело в том, что живые организмы, как правило, потребляют из среды обитания более лёгкие изотопы. Поэтому по содержанию лёгких разновидностей элементов можно определить, насколько густо был заселён тот или иной геологический слой. Более того, изотопный состав кислорода и серы указывает на распространённость организмов, потребляющих кислород, и, следовательно, на его концентрацию.

"Для раннекембрийской эпохи многочисленные изотопные циклы углерода и серы неожиданно оказались синхронными, – поясняет Журавлёв. – Такая единовременность позитивных и негативных изотопных сдвигов возможна лишь при синхронном окислении органического вещества и восстановлении сульфидов до сульфатов микроорганизмами. И оба этих процесса требуют существенных объёмов кислорода".

Кембрийские организмы стали предками всех современных макроскопических животных.
Кембрийские организмы стали предками всех современных макроскопических животных.
Фото Андрея Журавлёва, МГУ имени М.В. Ломоносова.

С помощью математической модели палеонтологи рассчитали концентрацию кислорода в среде. Как отмечается в пресс-релизе МГУ, исследователи впервые вычислили темпы поступления кислорода в атмосферу и верхние слои водной толщи для столь давних времён.

Оказалось, что темпы поступления кислорода в указанное время менялись в 2,5 раза. Они колебались от 80 до 200 миллионов тонн в год. При этом даже в самые лучшие времена содержание растворённого кислорода в кембрийском океане было в четыре раза ниже, чем сейчас.

"Рост разнообразия скелетных животных не был стремительным и постоянным, а перемежался с интервалами медленного роста разнообразия и даже с массовыми вымираниями. Эти циклы в росте разнообразия животных были известны и раньше <…>, но теперь стало ясно, что пики разнообразия приходятся на интервалы с высокими темпами поступления кислорода и наоборот. А самое массовое из кембрийских вымираний, сопоставимое по своей значимости для эволюции жизни на Земле с пермско-триасовым и мел-палеогеновым, пришлось на время – 514 миллионов лет назад, когда кислорода вновь почти не стало", – говорит Журавлёв.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, что кембрийскому взрыву предшествовал выброс углерода из мантии. Также мы рассказывали о климате кембрийского периода и о том, как его изменили животные.