Колебания уровня кислорода могли ускорить эволюцию животных

Уровень кислорода в атмосфере Земли около 1 миллиарда лет назад, вероятно, "сильно колебался". Это создавало условия, которые могли ускорить развитие ранней животной жизни.

Учёные выделяют три этапа развития атмосферного кислорода. Первый — Великое кислородное событие около 2 миллиардов лет назад, когда кислород впервые появился в атмосфере. Третий — около 400 миллионов лет назад, когда уровень кислорода поднялся до современных значений.

Неопределённость сохраняется вокруг второго этапа — неопротерозойской эры. Она началась около 1 миллиарда лет назад и длилась примерно 500 миллионов лет. В этот период появились ранние формы животной жизни.

Ключевые вопросы: было ли что-то необычное в изменениях уровня кислорода в неопротерозое, что сыграло ключевую роль в ранней эволюции животных? Уровень кислорода резко поднялся или увеличивался постепенно?

Ископаемые следы ранних животных — эдиакарской биоты, многоклеточных организмов, которым требовался кислород, — найдены в осадочных породах возрастом 541–635 миллионов лет.

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи из Университета Лидса при поддержке университетов Лиона, Эксетера и UCL измерили различные формы углерода (изотопы углерода) в известняковых породах из мелководных морей. На основе соотношений изотопов они рассчитали уровень фотосинтеза, существовавший миллионы лет назад, и оценили уровень атмосферного кислорода.

В результате расчётов учёные смогли восстановить запись уровня кислорода в атмосфере за последние 1,5 миллиарда лет. Это показывает, сколько кислорода могло диффундировать в океан для поддержки ранней морской жизни.

Динамичные колебания кислорода

Доктор Алекс Краузе, биогеохимический моделлер и ведущий автор исследования, отметил, что результаты дают новый взгляд на изменение уровня кислорода на Земле.

"Ранняя Земля в первые 2 миллиарда лет своего существования была бескислородной (аноксичной). Затем уровень кислорода начал расти — это Великое кислородное событие. До сих пор учёные считали, что после этого события уровень кислорода был либо низким, а затем резко вырос прямо перед появлением первых животных, либо был высоким в течение многих миллионов лет до их появления. Но наше исследование показывает, что уровень кислорода был гораздо более динамичным. Наблюдались колебания между высоким и низким уровнями кислорода в течение долгого времени до появления ранних форм животной жизни. Мы видим периоды, когда океаническая среда, где обитали ранние животные, имела abundant oxygen, и периоды, когда его не было".

Эволюционное давление и "обитаемые пространства"

Доктор Бенджамин Миллс, руководивший проектом, пояснил:

"Это периодическое изменение условий окружающей среды создавало эволюционное давление, при котором некоторые формы жизни могли вымирать, а новые — появляться".

Кислородные периоды расширяли так называемые "обитаемые пространства" — части океана, где уровень кислорода был достаточно высоким для поддержки ранних форм животной жизни.

"В экологической теории предполагается, что когда обитаемое пространство расширяется и сокращается, это может поддерживать быстрые изменения в биологическом разнообразии жизни. Когда уровень кислорода падает, возникает серьёзное экологическое давление на некоторые организмы, что может приводить к вымираниям. А когда богатые кислородом воды расширяются, новое пространство позволяет выжившим занять экологическое доминирование. Эти расширенные обитаемые пространства существовали миллионы лет, давая экосистемам достаточно времени для развития".

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.