Породы из Якутии помогли ученым выяснить, как возникли все животные Земли

Знаменитый "кембрийский взрыв", во время которого появилось все современное многообразие многоклеточных животных, произошел благодаря необычным колебаниям в доле кислорода в воздухе и воде, чьи следы сохранились в залежах карбонатов в Якутии.

Об этом пишут российские и зарубежные ученые в журнале Nature Geoscience, передает ria.ru.

"Выход кислорода не повышался постоянно в течение кембрия, а колебался в определенных пределах. Соответственно, и рост разнообразия животных не был стремительным и постоянным, а перемежался с интервалами медленного роста и даже с массовыми вымираниями. Эти циклы были известны и раньше, но теперь стало ясно, что их пики приходятся на интервалы с высокими темпами поступления кислорода и наоборот", — рассказывает Андрей Журавлёв, профессор МГУ.

Загадки кембрия

Большая часть современных групп и типов животных появилась примерно 540-520 миллионов лет назад, в ходе так называемого "кембрийского взрыва" – резкого ускорения эволюции и увеличения многообразия многоклеточных существ. В это время возникли предки червей, насекомых, рыб и прочих позвоночных животных.

Последствия их внезапного появления на Земле до сих пор остаются предметом споров среди палеонтологов. Часть ученых считает, что появление кембрийской фауны сопровождалось "массовыми потрясениями" и вымиранием их эдиакарских предшественников, а другие полагают, что этот процесс был более плавным.

Журавлев и его коллеги выяснили, что на самом деле "кембрийский взрыв" имел совершенно иную природу и характер развития, изучая осадочные породы, добытые на территории Якутии более десяти лет назад. Они сформировались на дне мелководных морей, существовавших на месте современной Сибири примерно 524-514 миллионов лет назад.

"Ленские столбы скалы на реке Алдан превратились в Мекку и своего рода мировую полевую лабораторию для палеонтологов и геохимиков. В 2008 году, во время международной геологической экскурсии, китайские и российские специалисты отобрали здесь образцы карбонатов, послужившие основой для настоящего исследования", — продолжает ученый.

Палеонтологов интересовали две вещи – как много тяжелых изотопов, серы-34 и углерода-13, содержали эти образцы пород. Это было связано с тем, что ферменты микробов, разлагающих органику, обычно активнее взаимодействуют с соединениями двух более легких разновидностей этих веществ, серы-32 и углерода-12.

Соответственно, замеряя доли этих изотопов, можно понять, как много органики присутствовало в той точке, где сформировались содержащие их породы, и оценить активность микробов, перерабатывающих останки других живых веществ. В целом, чем более населенной будет среда, тем больше серы-34 и углерода-13 должны содержать породы.

Как и то, и другое связано с кислородом и "кембрийским взрывом"? Дело в том, что эти микробы "поедают" сульфаты, соединения серы, для разложения органики, чья концентрация в воде напрямую зависит от того, как много кислорода присутствует в воздухе и в первичном океане древней Земли. Это позволяет достаточно точно вычислять количество кислорода, попадавшего в атмосферу планеты в то время, сопоставляя доли тяжелого углерода и серы.

Когда ученые сопоставили эти данные и сравнили их с результатами многолетних раскопок на территории кембрийских отложений в Якутии, они получили совершенно неожиданные выводы, не совпадавшие с популярными теориями о резком или плавном росте концентрации кислорода в атмосфере.

Круговорот жизни и смерти

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

Как отмечает исследователь, подобные данные указывали на то, что доля кислорода в атмосфере циклически резко росла и падала, снижаясь почти до нуля и вырастая до довольно высоких значений, уступающих современному притоку O2 в атмосферу примерно в четыре раза. Эти кислородные "бумы" и "кризисы" сменяли друг друга почти каждый миллион лет, мгновения по меркам геологии и эволюции.
Подобные резкие перемены, как показывают останки древних существ и изменения в доле "органического" углерода, постоянно вызывали аналогичные по силе сокращения в численности и видовом разнообразии первых многоклеточных животных. Одно из них, произошедшее 514 миллионов лет назад, почти не уступало по масштабам знаменитому Пермскому вымиранию, крупнейшему событию такого рода в истории Земли.

С другой стороны, аналогичные всплески в концентрации О2 вызывали крупные скачки эволюции. Один из них, к примеру, дал жизнь трилобитам, а следующий за ним кислородный "бум" был связан с появлением первых крупных хищных членистоногих существ и предков аномалокарисов, причудливых "топ-хищников" кембрия.

С чем были связаны эти колебания в концентрации кислорода, ученые пока не могут сказать. С одной стороны, они могут быть порождены различными сдвигами в характере движения течений в глубинных слоях первичного океана планеты, которые ускоряли или препятствовали захоронению органики на его дне. Это приводило или к резкому росту доли О2 в атмосфере, или его исчезновению.

С другой стороны, ученые не исключают того, что они могли быть порождены или "качаниями" орбиты Земли, или же какими-то взаимодействиями между цианобактериями и водорослями, производившими кислород, и микробами, разлагавшими органику. Что именно послужило спусковым крючком "кембрийского взрыва", еще предстоит выяснить, заключают авторы статьи.