Океаны могут изменить цвет: ученые объяснили механизм

Мы привыкли к тому, что вода в океанах нашей планеты имеет синий цвет. Из-за того, что три четверти поверхности Земли покрыты океанами, она даже из космоса имеет вид голубой точки. Но было ли так всегда?

Видео дня

Как пишет издание Live Science, недавно в журнале Nature японские исследователи опубликовали работу, которая убедительно доказывает: океаны Земли когда-то были зелеными. Более того, они могут снова изменить цвет в будущем.

Причина, по которой океаны Земли могли выглядеть иначе в древнем прошлом, связана с их химией и эволюцией фотосинтеза. Определить это помог анализ отложений горных пород, известных как полосатая железистая формация. В них геологическая история нашей планеты отразилась как в летописи.

Полосатые железистые формации отложились в архейские и палеопротерозойские эоны (периоды) примерно между 3,8 и 1,8 миллиардами лет назад. Жизнь того времени ограничивалась одноклеточными организмами, обитавшими в океанах. Континенты были бесплодным ландшафтом из серых, коричневых и черных пород. Когда на такие континентальные породы выпадал дождь, он растворял находящееся в них железо, и вода постепенно смывала его в реки, которые несли такие воды в океаны. Другими источниками железа были вулканы на дне океана. Это железо станет важным позже.

Архейский эон был временем, когда атмосфера и океан Земли были лишены газообразного кислорода. Но тогда также возникли первые организмы, производящие энергию из солнечного света. Эти организмы использовали анаэробный фотосинтез, то есть они могли совершать этот процесс без присутствия кислорода.

Такое эволюционное изменение повлекло за собой и другие преобразования. Поскольку побочным продуктом анаэробного фотосинтеза является газообразный кислород. Он, в свою очередь, связывался с железом в морской воде. В атмосферу он стал попадать только после того, как железо морской воды не могло больше нейтрализовать кислород.

В конце концов, ранний фотосинтез привел к "большому окислительному событию", важному экологическому поворотному моменту, который сделал возможной сложную жизнь на Земле. Он ознаменовал переход от среды, в основном лишенной кислорода, к среде, в которой веществом были насыщены и атмосфера, и океаны.

"Полосы" разных цветов в полосатых железистых формациях фиксируют этот сдвиг. В них железо, отложенное без присутствия кислорода, чередуется с красными слоями окисленного железа.

Почему океаны были зелеными

Статья, посвященная зеленым океанам в архейском эоне, начинается с наблюдения: воды вокруг японского вулканического острова Иводзима имеют зеленый оттенок, связанный с формой окисленного железа – Fe(III). Сине-зеленые водоросли процветают в зеленых водах, окружающих остров.

Несмотря на свое название, сине-зеленые водоросли являются примитивными бактериями, а не настоящими водорослями. В архейском эоне предки современных сине-зеленых водорослей эволюционировали вместе с другими бактериями, которые использовали двухвалентное железо вместо воды в качестве источника электронов для фотосинтеза. Это свидетельствует о высоком уровне железа в океане.

В процессе фотосинтеза организмы используют пигменты (в основном хлорофилл) в своих клетках для превращения CO₂ в сахара с использованием энергии солнца. При этом хлорофилл придает растениям зеленый цвет. А вот сине-зеленые водоросли здесь не обычны, поскольку они несут общий пигмент хлорофилл, а также второй пигмент, называемый фикоэритробилином (PEB).

В своей статье исследователи обнаружили, что генетически модифицированные современные сине-зеленые водоросли с содержанием PEB лучше растут в зеленых водах. Хотя хлорофилл отлично подходит для фотосинтеза в спектрах видимого нами света, PEB, пожалуй, лучше подходит для условий зеленого света.

До появления фотосинтеза и кислорода океаны Земли содержали растворенное восстановленное железо (железо, отложившееся в отсутствие кислорода). Кислород, высвобождавшийся при росте фотосинтеза в архейском эоне, затем привел к окислению железа в морской воде. Компьютерное моделирование в статье также показало, что освобождаемый ранним фотосинтезом кислород привел к достаточно высокой концентрации окисленных частиц железа. Его хватало для того, чтобы окрасить поверхностные воды в зеленый цвет. Однако после того, как все железо в океане было окислено, в океанах и атмосфере Земли появился свободный кислород (0₂).

Интересный и главный вывод этих данных состоит в том, что экзопланеты, имеющие бледно-зеленое свечение, могут быть хорошими кандидатами на роль планет, где существуют ранние формы фотосинтетической жизни.

Следует отметить, что изменения химического состава земного океана были постепенными. Архейский период длился 1,5 миллиарда лет. Это более половины истории Земли. Для сравнения, вся история возникновения и эволюции сложной жизни составляет около восьмой части истории Земли.

Почти вероятно, цвет океанов постепенно менялся в течение этого периода и потенциально колебался. Это может объяснить, почему сине-зеленые водоросли развили обе формы фотосинтетических пигментов. Хлорофил лучше подходит для белого света – наиболее типичного сегодня. А вот возможность использовать как белый, так и зеленый свет может быть эволюционным преимуществом.

Могут ли океаны снова изменить цвет

Урок из недавней японской статьи состоит в том, что цвет наших океанов связан с химией воды и влиянием жизни. Так фиолетовая вода в них могла бы быть, если бы на Земле был высокий уровень содержания серы. Такие условия способны обеспечить высокая вулканическая активность вместе с низким содержанием кислорода в атмосфере. Это привело бы к преобладанию пурпурных серобактерий.

Красные океаны также теоретически возможны в условиях интенсивного тропического климата, когда красное окисленное железо образуется из распада горных пород на суше и переносится в океаны по рекам или ветрами. Или если бы тип водорослей, связанных с красными приливами, стал доминировать на поверхности океанов. Такие красные водоросли сейчас распространены в районах с высокой концентрацией удобрений, таких как азот. В современных океанах это обычно происходит на береговой линии вблизи канализации.

Что касается прогнозирования будущего, то по мере того, как наше солнце будет стареть, оно сначала станет ярче, что приведет к увеличению испарения с поверхности и интенсивному ультрафиолетовому излучению. Это может способствовать бурному развитию пурпурных серобактерий, живущих сейчас в глубоких водах без кислорода.

Такое развитие событий приведет к появлению большего количества фиолетовых, коричневых или зелёных оттенков в прибрежных или стратифицированных районах. А вот воды темно-синего цвета станет меньше, поскольку сократится объем фитопланктона. Так или иначе, все закончится тем, что земные океаны испарятся, когда солнце расширится достаточно, чтобы охватить орбиту Земли.

Ранее OBOZ.UA рассказывал, какие 866 новых видов обнаружили ученые в океане.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.