Данный материал — это перевод оригинальной статьи с сайта The Conversation.
Сегодня около 75% поверхности Земли покрыто океанами, и из космоса наша планета выглядит как бледно-голубая точка. Но японские учёные утверждают, что когда-то океаны были зелёными. Свои выводы они опубликовали в журнале Nature.
Причина, по которой древние океаны могли выглядеть иначе, связана с их химическим составом и развитием фотосинтеза. Когда я изучал геологию, нам рассказывали о важности так называемых полосчатых железистых формаций — это особые отложения горных пород, которые помогают понять историю Земли.
Такие образования появились в архейскую и палеопротерозойскую эры — примерно от 3,8 до 1,8 миллиарда лет назад. Тогда жизнь существовала только в виде одноклеточных организмов в океанах. Континенты представляли собой безжизненные пейзажи из серых, бурых и чёрных пород.
Когда дождь омывал континентальные породы, он вымывал из них железо, которое реки уносили в океаны. Дополнительный источник железа — подводные вулканы. Это железо сыграет ключевую роль позже.
В архейскую эру атмосфера и океаны Земли ещё не содержали кислород, но именно тогда появились первые организмы, способные получать энергию от солнечного света. Эти существа использовали анаэробный фотосинтез — то есть фотосинтез без участия кислорода.
Это стало поворотным моментом: побочным продуктом такого фотосинтеза был газообразный кислород. В воде он связывался с растворённым железом. Кислород появился в атмосфере только после того, как железо в океанах перестало его нейтрализовывать.
Со временем фотосинтез привёл к так называемому «великому кислородному событию» — глобальной экологической трансформации, которая открыла путь к появлению сложной жизни. Это событие ознаменовало переход от почти полностью бескислородной планеты к насыщенной кислородом атмосфере и океанам.
Полосы в железистых формациях отображают этот переход: чередуются слои железа, осаждённого без кислорода, и слои окисленного красного железа.
Почему учёные говорят о зелёных океанах
Недавнее японское исследование начинается с интересного наблюдения: воды у вулканического острова Иводзима имеют зеленоватый оттенок. Это связано с присутствием особой формы окисленного железа — Fe(III). В этих водах прекрасно чувствуют себя сине-зелёные водоросли.
Несмотря на название, сине-зелёные водоросли — это не настоящие водоросли, а примитивные бактерии. В архейскую эру предки этих бактерий эволюционировали наряду с другими микроорганизмами, которые использовали двухвалентное железо (а не воду) как источник электронов для фотосинтеза. Это говорит о высоком содержании железа в древних океанах.
Фотосинтезирующие организмы используют пигменты (в основном хлорофилл), чтобы преобразовывать CO₂ в сахар, используя солнечную энергию. Хлорофилл придаёт растениям зелёный цвет. Но сине-зелёные водоросли уникальны — помимо хлорофилла у них есть дополнительный пигмент под названием фикоэритробилин (PEB).
Исследователи показали, что генетически модифицированные современные сине-зелёные водоросли с этим пигментом лучше растут в зелёной воде. И хотя хлорофилл хорошо улавливает свет в видимом нам спектре, PEB эффективнее работает в условиях, когда доминирует зелёный свет.
До появления кислородного фотосинтеза в океанах было много растворённого восстановленного железа. Когда же фотосинтез начал вырабатывать кислород, он начал окислять это железо. По расчётам учёных, его концентрация могла быть настолько высокой, что вода у поверхности океана приобретала зелёный цвет.
Когда всё железо окислилось, кислород начал накапливаться в атмосфере и воде. Из этого следует важный вывод: если мы увидим из космоса планету с бледно-зелёными океанами — это может быть сигналом, что на ней развивается ранняя форма фотосинтеза.
Как менялся цвет океанов
Изменения в составе океанической воды происходили медленно. Архейская эра длилась 1,5 миллиарда лет — это более половины всей истории Земли. А вся история сложной жизни на планете занимает лишь восьмую часть.
Почти наверняка цвет океанов менялся постепенно и, возможно, даже колебался туда-сюда. Это может объяснить, почему сине-зелёные водоросли сохранили сразу два типа пигментов. Хлорофилл работает лучше при ярком белом солнечном свете, как сегодня. Но в древние времена возможность использовать и зелёный, и белый свет давала серьёзное преимущество.
Могут ли океаны снова изменить цвет?
Вывод из японского исследования прост: цвет океанов зависит от химии воды и присутствия жизни. Мы можем представить океаны разных цветов — и это не фантастика.
Например, фиолетовые океаны возможны при высоком содержании серы. Это может произойти из-за активного вулканизма и низкого уровня кислорода в атмосфере. Тогда на передний план выйдут фиолетовые серобактерии.
Красные океаны тоже возможны. Это может случиться в тропиках, если окисленное железо из разрушающихся пород будет обильно смываться в моря. Или если поверхность океана захватит тип водорослей, вызывающий «красные приливы».
Такие водоросли особенно активно размножаются при высоком содержании удобрений в воде — например, азота. Сейчас это часто наблюдается у берегов, куда сбрасываются сточные воды.
По мере старения Солнца оно будет становиться ярче, усиливая испарение воды с поверхности и увеличивая уровень ультрафиолета. Это создаст условия, благоприятные для анаэробных бактерий, таких как фиолетовые серобактерии.
Со временем мы можем увидеть в океанах больше фиолетового, бурого или зелёного цвета, особенно в прибрежных или слоистых зонах. А привычный нам насыщенно-синий цвет будет исчезать, поскольку количество фитопланктона будет снижаться. В далёком будущем, когда Солнце раздуется и поглотит орбиту Земли, океаны испарятся полностью.
Если смотреть с точки зрения геологических масштабов времени, на Земле нет ничего постоянного. Так что и цвет океанов будет меняться неизбежно.
