Новое исследование предоставляет самые четкие на сегодняшний день доказательства того, что кембрийский взрыв — стремительный всплеск эволюции 540 миллионов лет назад — мог быть вызван всего лишь небольшим повышением уровня кислорода в атмосфере Земли и мелководных океанских водах.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, объединяет наборы данных международного консорциума ученых, чтобы показать, что незначительное увеличение содержания кислорода могло быть достаточным для того, чтобы подтолкнуть к крупным эволюционным скачкам, зафиксированным в палеонтологической летописи.
Ведущий автор исследования, Ричард Стоки из Университета Саутгемптона, сказал: «Кембрийский взрыв был примечательным периодом быстрого разнообразия жизни на Земле. Раньше жизнь состояла из одноклеточных и небольших многоклеточных организмов. Затем, в течение 20 или 30 миллионов лет, в геологическом масштабе, мы видим появление множества странных и сложных существ с новыми планами строения тела и особенностями, такими как минерализованные раковины, хватательные конечности и сложные органы чувств, такие как глаза».
Десятилетиями ученые предполагали, что кембрийский взрыв был вызван внезапным повышением уровня кислорода в атмосфере, что приблизило уровень кислорода в древнем океане к современному. Однако доказательства этого были разрозненными и в некоторых случаях противоречивыми.
Проведя комплексный широкомасштабный анализ данных , исследователи выявили лишь небольшое увеличение содержания кислорода в атмосфере во время кембрийского взрыва.
«Кембрийским животным, вероятно, не требовалось столько кислорода, как считали ученые. Мы обнаружили незначительное увеличение оксигенации, которое достигло нужной величины, чтобы вызвать большие изменения в экологии», — говорит старший автор исследования Эрик Сперлинг, доцент кафедры наук о Земле и планетах в Стэнфордской школе устойчивого развития имени Доэрра.
В то время большинство животных обитало на мелководье, и перемешивание, вызванное ветром и волнами, насыщало эти районы кислородом, даже если более глубокие слои океана оставались неизменными.
«Это не огромное увеличение уровня кислорода, но его может быть достаточно, чтобы преодолеть критические экологические пороги, исходя из того, что мы наблюдаем в современных районах с естественным низким содержанием кислорода», — добавляет Сперлинг.
Исследователи также обнаружили доказательства того, что уровень кислорода в глубинах океана приблизился к уровню современных морей лишь спустя 140 миллионов лет после кембрийского взрыва — намного позже, чем считалось ранее.
Стоки говорит: «С глобальной точки зрения мы не наблюдали полного насыщения океанов кислородом до уровня, близкого к современному, до примерно 400 миллионов лет назад, примерно в то же время, когда на суше появились большие леса».
Чтобы изучить изменения содержания кислорода на протяжении 700 миллионов лет истории Земли, исследователи изучили данные, показывающие уровни урана и молибдена в черном сланце — осадочной породе, образовавшейся в среде с низким содержанием кислорода на дне древних океанов.
Эти металлы накапливаются в отложениях при низком уровне кислорода, поэтому их концентрация в черном сланце указывает на прошлые уровни кислорода в океане.
Предыдущие исследования отмечали увеличение содержания следов металлов в черном сланце во время кембрийского взрыва, но они в основном основывались на данных с отдельных участков месторождений, где локальные факторы, такие как увеличение содержания органического углерода, могут привести к увеличению концентрации следов металлов.
Используя статистические методы и методы машинного обучения, исследователи проанализировали данные в гораздо большем масштабе и использовали океанографические модели для оценки исторических уровней кислорода.
«Мы обнаружили, что изменения в органическом углероде в черном сланце привели к множеству изменений в следовых металлах, которые ученые наблюдали последние 15 или 20 лет», — говорит Стоки. «Только через 140 миллионов лет после кембрийского взрыва, в девонский период, мы видим, как следовые металлы увеличиваются со скоростью, которая указывает на насыщение кислородом всего океана».
Данные по черным сланцам были собраны в рамках проекта «Осадочная геохимия и палеосреда», первого в своем роде проекта полевого исследовательского консорциума, который объединяет геохимические данные в стандартизированной базе данных для крупномасштабного анализа.
«Это совершенно другой подход, нежели тот, который мы использовали в этой области раньше», — говорит Сперлинг, основавший консорциум в 2015 году. «Каждая отдельная исследовательская группа, включая нашу, по-прежнему выходит на поле и получает моментальный снимок того, что происходит, но затем нам всем нужно объединиться, чтобы проанализировать ситуацию».
Аналитический инструментарий, разработанный Стоки для этой работы, может помочь исследователям понять не только древние уровни кислорода, но и температуру, снабжение пищей и другие потенциальные движущие силы ранней эволюции. Члены консорциума также собирают новые данные для заполнения периодов геологического времени, которые недостаточно изучены, и проводят анализы, которые расширяются на более старые и более молодые временные интервалы.
«Чтобы использовать мощь этих более продвинутых подходов к науке о данных, особенно для геологических данных, нам нужно, чтобы все говорили на одном языке», — говорит Стоки. «Этот подход к науке о данных, основанный на сообществе, позволил нам быть гораздо более уверенными в том, как мы реконструируем эволюцию Земли в пространстве и времени».
