Почти три четверти нашей планеты покрыто океанами, из-за чего планета выглядит как бледно-голубая точка из космоса. Но японские исследователи убедительно доказали, что океаны Земли когда-то были зелёными. В исследовании, опубликованном в журнале Nature заявлена причина, по которой океаны могли выглядеть иначе в далёком прошлом. Она связана с их химическим составом и эволюцией фотосинтеза. Когда я учился на бакалавриате по геологии, меня учили тому, насколько важен тип горных пород, известный как железистые конкреции, для изучения истории планеты.

Полосатые железные образования формировались в архейский и палеопротерозойский эоны, примерно от 3,8 до 1,8 миллиарда лет назад. В то время жизнь была ограничена одноклеточными организмами в океанах. Континенты представляли собой бесплодную местность из серых, коричневых и чёрных пород и отложений. Архейская эра была временем, когда атмосфера Земли и океан были лишены газообразного кислорода, но также и временем, когда появились первые организмы, способные вырабатывать энергию из солнечного света. Эти организмы использовали анаэробный фотосинтез, то есть могли осуществлять фотосинтез в отсутствие кислорода.

Поперечное сечение полосчатого железа на камне

Это привело к важным изменениям, поскольку побочным продуктом анаэробного фотосинтеза является газообразный кислород. Газообразный кислород, связанный с железом в морской воде. Кислород существовал в атмосфере только в газообразном состоянии, когда железо в морской воде больше не могло нейтрализовать кислород.

В конце концов, ранний фотосинтез привёл к "великому окислению", важнейшему экологическому поворотному моменту, который сделал возможной сложную жизнь на Земле. Это ознаменовало переход от Земли, практически не содержащей кислорода, к Земле с большим количеством кислорода в океане и атмосфере. "Полосы" разных цветов в полосчатых железных рудах отражают этот сдвиг, чередование отложений железа, образовавшихся в отсутствие кислорода, и красного окисленного железа.

Аргументы в пользу зеленых океанов

В недавней статье, посвящённой зелёным океанам архейской эры, приводится следующее наблюдение: воды вокруг японского вулканического острова Иводзима имеют зеленоватый оттенок, связанный с формой окисленного железа — Fe(III). В зелёных водах, окружающих остров, процветают сине-зелёные водоросли.

Несмотря на своё название, сине-зелёные водоросли — это примитивные бактерии, а не настоящие водоросли. В архейскую эру предки современных сине-зелёных водорослей эволюционировали вместе с другими бактериями, которые использовали закись железа вместо воды в качестве источника электронов для фотосинтеза. Это указывает на высокое содержание железа в океане.

Фотография острова Иводзима

Фотосинтезирующие организмы используют пигменты (в основном хлорофилл) в своих клетках для преобразования CO₂ в сахара с помощью солнечной энергии. Хлорофилл придаёт растениям зелёный цвет. Сине-зелёные водоросли отличаются тем, что содержат не только обычный пигмент хлорофилл, но и второй пигмент, называемый фикоэритрибилином (PEB). В своей статье ученые обнаружили, что генетически модифицированные современные сине-зелёные водоросли с PEB лучше растут в зелёной воде. Хотя хлорофилл отлично подходит для фотосинтеза в видимом нами спектре света, PEB, по-видимому, лучше работает в условиях зелёного света.

До появления фотосинтеза и кислорода в океанах Земли содержалось растворённое восстановленное железо (железо, отложившееся в отсутствие кислорода). Кислород, высвободившийся в результате появления фотосинтеза в архейскую эру, привёл к окислению железа в морской воде. Компьютерное моделирование, описанное в статье, также показало, что кислород, высвободившийся в результате раннего фотосинтеза, привёл к достаточно высокой концентрации частиц окисленного железа, чтобы окрасить поверхностные воды в зелёный цвет.

Как только всё железо в океане было окислено, в океанах и атмосфере Земли появился свободный кислород (0₂). Таким образом, главный вывод исследования заключается в том, что бледно-зелёные точки на планетах, видимых из космоса, являются хорошими кандидатами на роль планет, на которых зародилась ранняя фотосинтезирующая жизнь.

Изменения в химическом составе океана происходили постепенно. Архейский период длился 1,5 миллиарда лет. Это более половины истории Земли. Для сравнения, вся история возникновения и эволюции сложной жизни составляет примерно восьмую часть истории Земли. Почти наверняка цвет океанов в этот период постепенно менялся и, возможно, колебался. Это может объяснить, почему сине-зелёные водоросли выработали обе формы фотосинтетических пигментов. Хлорофилл лучше всего подходит для белого света, который мы видим сегодня. Использование зелёного и белого света было бы эволюционным преимуществом.

Могут ли океаны снова изменить цвет?

Из недавней статьи, опубликованной в Японии, мы узнали, что цвет наших океанов связан с химическим составом воды и влиянием жизни. Мы можем представить себе разные цвета океанов, не слишком заимствуя из научной фантастики. На Земле возможны пурпурные океаны, если уровень серы будет высоким. Это может быть связано с интенсивной вулканической активностью и низким содержанием кислорода в атмосфере, что приведёт к доминированию пурпурных серных бактерий.

Красные океаны также теоретически возможны в условиях жаркого тропического климата, когда окисленное железо образуется в результате разрушения горных пород на суше и переносится в океаны реками или ветрами. Или если в поверхностных слоях океанов начнут преобладать водоросли, связанные с "красными приливами". Эти красные водоросли распространены в районах с высокой концентрацией удобрений, таких как азот. В современных океанах это, как правило, происходит на побережье вблизи канализационных стоков.

По мере старения Солнца оно сначала станет ярче, что приведёт к усилению испарения с поверхности и интенсивному ультрафиолетовому излучению. Это может благоприятствовать пурпурным серным бактериям, живущим в глубоких водах без кислорода. Это приведёт к появлению большего количества фиолетовых, коричневых или зелёных оттенков в прибрежных или стратифицированных районах, а также к уменьшению насыщенности синего цвета воды по мере сокращения количества фитопланктона. В конечном итоге океаны полностью испарятся, когда Солнце расширится и охватит орбиту Земли. В геологическом масштабе времени ничто не является постоянным, и поэтому изменения цвета наших океанов неизбежны.

Напомним, что оригинальная статья опубликована под лицензией Creative Commons. 

GPT-4.5 — первая модель ИИ, прошедшая настоящий тест Тьюринга.

Фото: pxhere.com