Миниатюрни свидетели от първичното море

За първи път изследователи успяват да измерят как количеството разтворен органичен въглерод в морето се е променяло през геоложкото време. Резултатите разкриват, че нашите обяснения за това как са се появили ледниковите епохи и появата на сложен живот между 1000 и 541 милиона години, са непълни.

Измерванията показват, че количеството разтворен органичен въглерод в океаните по това време трябва да е било с 90 до 99 процента по-малко от днес. Тези открития изискват нови обяснения как са свързани екологичната и биогеохимичната еволюция.

Геолозите често се сблъскват с огромни трудности, когато изследват историята на Земята: много важни събития са се случили толкова отдавна, че има малко преки доказателства. Следователно, изследователите често трябва да разчитат на косвени улики или на компютърни модели.

Екипът, ръководен от професор Джордан Хемингуей (Jordon Hemingway) от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих (ETH Zurich), обаче сега е открил уникален природен свидетел на този период: малки камъчета от железен оксид с форма на яйце, които могат да се използват за директно измерване на запасите от въглерод в първичния океан.

Погледнати отвън, те приличат на песъчинки, но тези така наречени ооиди (тела с яйцевидна форма) са по-скоро като търкалящи се снежни топки: те нарастват на слоеве, докато се търкалят по морското дъно от вълните. В процеса на това молекулите на органичния въглерод се прилепват към тях и стават част от кристалната структура.

Те изглеждат като обикновени камъчета: яйцевидни камъни от железен оксид под електронен микроскоп. Кредит: Nir Galili/ETH Zurich

Изследвайки тези примеси, екипът на Хемингуей успява да проследи запасите от органичен въглерод в морето - с до 1,65 милиарда години. В списание Nature изследователите показват, че между 1000 и 541 милиона години тези запаси са били значително по-ниски от предполагаемото досега. Тези открития опровергават общоприетите обяснения за значими геохимични и биологични събития от онова време и хвърлят нова светлина върху историята на Земята.

Океанът като резервоар на градивните елементи на живота

Как въглеродът попада в океаните? От една страна, въглеродният диоксид (CO₂) се разтваря от въздуха в морската вода и се пренася в дълбините чрез процеси на смесване и океански течения, където се задържа дълго време. От друга страна, органичният въглерод се произвежда от фотосинтезиращи организми като фитопланктон или някои бактерии. Използвайки енергията на слънчевата светлина и CO₂, тези микроскопични организми сами произвеждат органични въглеродни съединения. Когато организмите умрат, те бавно потъват към морското дъно като морски сняг. Ако достигне морското дъно, без да бъде изяден от организмите по пътя, въглеродът се съхранява в него в продължение на милиони години.

Но не само фитопланктонът осигурява въглеродни компоненти. Градивните елементи на живота също се използват повторно: микроорганизмите разграждат екскрементите и мъртвите организми, като по този начин отново освобождават градивните елементи. Тези молекули образуват така наречения разтворен органичен въглерод, който се носи свободно в океана: огромен резервоар от градивни елементи, който съдържа 200 пъти повече въглерод, отколкото всъщност е "вграден“ в морския живот.

Въглеродният цикъл в океана преди 1000 до 541 милиона години. Кредит: S. Hegelbach and J. Kuster / ETH Zurich

Кислородната революция променя всичко

Въз основа на аномалии в океанските седиментни скали, изследователите предположили, че този резервоар от градивни елементи трябва да е бил особено обемен между 1000 и 541 милиона години. Дълго време това предположение служило като основа за обяснение как ледниковите периоди и сложният живот са се появили едновременно.

Фотосинтетичното производство на градивните елементи на живота е тясно свързано с развитието на атмосферата и по-сложните форми на живот. Едва чрез фотосинтезата кислородът започва да се натрупва в атмосферата.

Важни събития в историята на Земята. Кредит: Jordon Hemingway/ETH Zurich

В две вълни – известни като "кислородни катастрофи" или "окислителни събития" – съдържанието на кислород се е повишило до сегашното си ниво от 21%. И двете събития са били съпроводени от екстремни ледникови периоди, които са покрили цялата планета с ледници. Въпреки това животът е продължил да се развива и да се развива с нови изобретения: по време на първата кислородна катастрофа преди 2,4 до 2,1 милиарда години, организмите са развили метаболизъм, превръщащ храната в енергия с помощта на кислород. Този изключително ефективен начин за генериране на енергия е позволил развитието на по-сложни форми на живот.

Съдържанието на въглерод е много по-ниско от предполагаемото

Екипът на Хемингуей проследява подобни връзки между геохимичните и биологичните развития. Изследователите са разработили нов метод, който им позволява директно да определят размера на морския склад от градивни елементи в този конкретен момент, въз основа на въглеродните частици в ооидите.

"Нашите резултати противоречат на всички предишни предположения", както обобщава Хемингуей.

Според измерванията, направени от изследователите от ETH, преди период от 1000 до 541 милиона години океанът не е съдържал повече, а всъщност е съдържал от 90 до 99 % по-малко разтворен органичен въглерод, отколкото днес. Едва след втората кислородна катастрофа стойностите се повишават до сегашното ниво от 660 милиарда тона въглерод.

"Нуждаем се от нови обяснения за това как ледниковите периоди, сложният живот и увеличаването на кислорода са свързани", посочва водещият автор Нир Галили (Nir Galili).

Той обяснява масовото свиване на запасите от въглерод с появата на по-големи организми по това време: едноклетъчните и ранните многоклетъчни организми потъвали по-бързо след смъртта си, като по този начин увеличавали морските снеговалежи.

Въглеродните частици обаче не се рециклирали в по-дълбоките слоеве на океана, защото там имало много малко кислород. Те се утаили на морското дъно, което довело до рязко намаляване на резервоара от разтворен органичен въглерод. Едва когато кислородът се натрупал в дълбокото море, резервоарът от въглерод възвърнал сегашния си обем.

Съвременен въглероден цикъл. Кредит: S. Hegelbach and J. Kuster / ETH Zurich

От първичния океан до наши дни

Въпреки че изследваните периоди са отдавна отминали, откритията на изследването са значими за бъдещето. Те променят представата ни за това как се е развивал животът на Земята и евентуално и на екзопланетите.

В същото време те ни помагат да разберем как Земята реагира на смущения, а хората са едно такова смущение: затоплянето и замърсяването на океаните, причинени от човешката дейност, в момента водят до спад в нивата на кислород в морската среда.

Следователно не може да се изключи, че описаните събития биха могли да се повторят в далечното бъдеще.

Справка: Galili N, Bernasconi SM, Nissan A et al.: The geologic history of marine dissolved organic carbon from iron oxides. Nature, 13 August 2025, doi: external page 10.1038/s41586-025-09383-3  

Източник: Minute witnesses from the primordial sea, ETH Zurich

Още по темата

02/05/2025

Земята

Забавящото се въртене на Земята може да крие тайната защо имаме кислород

09/01/2024

Животът

Фотосинтезата се е развила още преди 1,75 милиарда години според открити наскоро микрофосили

05/09/2019

Земята

Как древнaтa океанскa магмa е повишилa нивата на кислород на Земята

03/02/2017

Животът

Ниското ниво на кислород е спъвало живота на Земята с 2 милиарда години