Майже три чверті поверхні Землі вкрито океанами, що робить нашу планету схожою на блідо-блакитну цятку з космосу. Але японські дослідники представили переконливі докази того, що колись океани Землі були зеленими. Їхнє дослідження опубліковане в журналі Nature.
Причина, чому в давнину океани Землі могли виглядати інакше, пов’язана з їхньою хімічною структурою та еволюцією фотосинтезу. Як студент-геолог, я вивчав важливість так званих залізисто-смугастих формацій — типу осадових порід, що відображають історію нашої планети.
Ці формації утворювались в архейському та палеопротерозойському еонах, приблизно від 3.8 до 1.8 мільярда років тому. Життя тоді було представлене лише одноклітинними організмами в океанах. Суша була безжиттєвою — лише сірі, коричневі та чорні скелі та осади. Дощі розчиняли залізо з континентальних порід, яке потрапляло в океан через річки. Додатковим джерелом заліза були підводні вулкани. Це залізо відіграло ключову роль у подальших подіях.
Архейський еон був періодом, коли в атмосфері й океані не було кисню, але саме тоді з’явилися перші організми, здатні використовувати сонячну енергію. Вони здійснювали анаеробний фотосинтез — тобто фотосинтез без кисню. Це призвело до важливих змін, адже побічним продуктом анаеробного фотосинтезу є кисень. Кисень зв’язувався з розчиненим у морській воді залізом. Лише після того, як залізо перестало поглинати кисень, останній почав накопичуватись в атмосфері.
Зрештою це призвело до “великої кисневої події” — вирішального екологічного зламу, що зробив можливим існування складного життя на Землі. Це стало переходом від майже безкисневої планети до такої, де кисень у воді й атмосфері був у великій кількості.
“Смуги” в залізисто-смугастих породах фіксують ці зміни, чергуючи шари заліза, осадженого без кисню, з шарами окисненого (червоного) заліза.
Обґрунтування теорії про зелені океани
У своїй статті дослідники звертають увагу на спостереження: води навколо вулканічного японського острова Іо-Дзіма мають зеленуватий відтінок через присутність окисненого заліза — Fe(III). У цих водах добре почуваються ціанобактерії, відомі як синьо-зелені водорості.
Незважаючи на назву, синьо-зелені водорості — це примітивні бактерії, а не справжні водорості. В архейському еоні предки сучасних ціанобактерій еволюціонували поряд з іншими бактеріями, які замість води використовували двовалентне залізо як джерело електронів для фотосинтезу. Це вказує на високий рівень заліза в давніх океанах.
Фотосинтезуючі організми використовують пігменти (переважно хлорофіл), щоб перетворювати CO₂ на цукри за допомогою сонячної енергії. Хлорофіл надає рослинам зелений колір. Ціанобактерії цікаві тим, що, окрім хлорофілу, мають другий пігмент — фікоеритробілін (PEB). Дослідники виявили, що генетично модифіковані ціанобактерії з PEB краще ростуть у зелених водах. Хоча хлорофіл добре працює при звичайному світлі, PEB ефективніший у зеленому світлі.
До появи фотосинтезу та кисню, океани містили розчинене відновлене залізо (тобто залізо в анаеробних умовах). Коли фотосинтез почав активно виробляти кисень, той окислював залізо в морській воді. За допомогою комп’ютерного моделювання вчені встановили, що кількість частинок окисненого заліза могла бути достатньою, щоб забарвити поверхневі води в зелений колір.
Коли все залізо в океані було окиснене, кисень почав накопичуватись в океанах та атмосфері. Таким чином, дослідження припускає, що планети з блідо-зеленим відтінком з космосу — потенційні кандидати на наявність раннього фотосинтетичного життя.
Чи можуть океани змінити колір знову?
Головний урок японського дослідження — колір океану пов’язаний із хімією води та життям у ній. Можна уявити й інші кольори океанів — і це не фантастика.
- Фіолетові океани можливі при високому вмісті сірки. Це може бути наслідком вулканічної активності та низького вмісту кисню в атмосфері, що сприяє домінуванню фіолетових сіркобактерій.
- Червоні океани можуть виникнути в умовах тропічного клімату, коли червоне окиснене залізо потрапляє в море з розкладених гірських порід, або при масовому розмноженні червоних водоростей (наприклад, унаслідок надлишку добрив — азоту).
У міру старіння Сонця воно стане яскравішим, що призведе до посилення випаровування океанів і зростання УФ-випромінювання. Це може сприяти розмноженню фіолетових бактерій у безкисневих глибинах.
Океани можуть поступово набувати фіолетового, бурого або зеленого кольору в прибережних чи шаруватих зонах, а глибокий синій колір зникне внаслідок зменшення фітопланктону. Зрештою, усі океани випаруються, коли Сонце розшириться й досягне орбіти Землі. На геологічних шкалах часу ніщо не є постійним — тому зміни кольору океанів неминучі.
Цедрік М. Джон, професор, керівник напряму «Наука про дані в екології та сталому розвитку», Університет Квін Мері, Лондон.