Учёные обнаружили, что планктон производит 50% всего кислорода на планете
Амфипод из рода Фронима — один из обитателей океана
Биологи и океанологи опубликовали результаты самого масштабного и скрупулёзного исследования миниатюрной морской жизни за всю научную историю. Миссия длиною в 3,5 года проходила на судне Тара. За это время исследователи прошли 140 000 километров, и взяли 35 000 проб планктона в 210 различных местах Мирового океана. Одним из интересных результатов исследования была названа роль планктона в снабжении планеты кислородом. Статья опубликована в журнале Science.
За время путешествия им пришлось провести 10 дней, закованными в арктический лёд, преодолеть шторма в Средиземном море и Магеллановом проливе, и пройти Аденский залив под защитой судов французского флота, охранявших их от пиратов. Основной целью исследования было изучение распространения различных видов организмов, их взаимодействия друг с другом и передачи генетической информации. Было найдено и записано порядка 40 миллионов генов планктона, неизвестных ранее.
Маршрут исследовательского судна
Изучая разнообразную мелкую флору и фауну (планктон включает в себя микроскопические растения и животных, икру рыб, бактерий, вирусы и другие микроорганизмы), учёные определили, что это – не только лишь начало пищевой цепочки для более крупных животных.
Tara
«Планктон — это больше, чем просто еда для китов,— говорит Крис Боулер, директор исследовательского отдела во французском государственном центре научных исследований. — Будучи крохотными, эти организмы — важнейшая часть системы поддержания жизни на Земле. Они лежат в основе пищевой цепочки, а кроме того, обеспечивают производство 50% кислорода при помощи фотосинтеза». Кроме этого, планктон поглощает углекислый газ и превращает его в органический углерод.
И чего только в сеть не попадает
По словам исследователей, в каждом глотке морской воды содержится около 200 миллионов вирусов, основной добычей которых являются 20 миллионов бактерий, которые можно найти там же. Ещё учёных очень заинтересовало то, что разнообразие планктона гораздо больше, чем предполагалось ранее, а разнообразие вирусов при этом оказалось меньше ожидаемого.
Разнообразные малютки
Установлено, что взаимодействие разных видов планктона регулируется температурой воды, и при встрече двух течений разной температуры колонии планктона не смешиваются между собой. Также удалось доказать ранее высказанную гипотезу о том, что вирусы появляются в ограниченном числе мест океана, а затем разносятся океанскими течениями.
Отлов планктона / Reuters
Понимание процессов, происходящих в мире планктона поможет, в частности, уточнять предсказательные модели изменения климата.
Источник
После кислородной революции уровень кислорода в океанах долго оставался высоким
Рис. 1. Шунгитовые сланцы заонежской свиты в Карелии — породы с большим количеством органического углерода. Фото с сайта eurekalert.org
В породах раннего протерозоя, имеющих возраст 2,22–2,06 млрд лет, геологи фиксируют резкий рост содержания изотопа углерода 13 С. Эта аномалия, которую назвали событием Ломагунди, есть в осадочных породах по всей Земле. В целом она совпадает по времени с так называемой кислородной революцией, когда в атмосфере Земли резко выросло содержание кислорода. Традиционно считается, что после окончания события Ломагунди, когда изотопное отношение 13 C/ 12 C восстановилось, уровень кислорода упал и оставался низким на протяжении миллиарда лет, вплоть до неопротерозоя. Однако недавнее исследование показывает, что шунгиты — черные сланцы заонежской свиты в Карелии возрастом 1,98 млрд лет — содержат высокие концентрации молибдена, урана и рения. Эти металлы являются индикаторами окислительно-восстановительной обстановки, указывая на локальные зоны с восстановительной средой и на то, что океаны оставались насыщенными кислородом еще многие миллионы лет после окончания кислородной революции и события Ломагунди.
В природе углерод присутствует в виде двух стабильных изотопов: 12 C и 13 C. На первый приходится 98,93% всего углерода, а на второй — 1,07%. В большинстве пород это соотношение сохраняется, но бывают отклонения. Для количественной оценки таких отклонений используется изотопный коэффициент δ 13 С показывающий, насколько изотопная подпись углерода (отношение 13 C/ 12 C) в породах отличается от этого отношения в стандартном образце. Обычно эти отклонения не очень большие и носят локальный характер. Но был в истории Земли период, для которого во всех морских осадочных породах фиксируются повышенные значения 13 C. Это случилось в палеопротерозое, 2,3–2,1 млрд лет назад.
Предполагается, что этот всплеск содержания тяжелого изотопа углерода в осадочных породах, получивший название «событие Ломагунди» (Lomagundi Carbon Isotope Excursion), был связан с бурным развитием в этот период цианобактерий. Известно, что легкий изотоп углерода 12 С обладает преимуществом при вхождении в состав живых организмов, поэтому в период, когда на планете началось формирование большого количества организмов, легкий углерод выводился из морской воды, а оседавшие на дно осадки были относительно обогащены тяжелым изотопом 13 C (подробнее о событии Ломагунди см. в статье Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое, «Элементы», 27.12.2019).
Неудивительно, что событие Ломагунди в целом совпадает по времени с так называемой кислородной революцией — резким ростом содержания кислорода в атмосфере Земли в начале протерозоя (см. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014).
Считается, что формирование огромного количества первичной биомассы сдвинуло изотопную подпись углерода, а затем, после завершения кислородной революции, баланс восстановился и больше уже никогда не нарушался. Однако традиционное объяснение корреляции кривых парциального давления кислорода в атмосфере и изотопного коэффициента δ 13 С в протерозое плохо согласуется с фактом отсутствия среди раннепротерозойских пород осадочных отложений с большим количеством органического углерода, а также с тем, что геохимические циклы углерода и кислорода подчиняются разным закономерностям.
Чтобы разобраться, какой была среда в океане непосредственно после окончания события Ломагунди, международная группа ученых во главе с Куртом Конхаузером (Kurt Konhauser) из Университета Альберты в Канаде и Калле Кирсимяэ (Kalle Kirsimäe) из Тартуского университета в Эстонии изучила богатые углеродом первично осадочные породы заонежской свиты в Карелии на северо-западе России, возраст которой составляет 1,98 млрд лет. То есть, по данным абсолютного датирования, выполненного уран-свинцовым методом, она образовалась через 80 млн лет после окончания события Ломагунди.
Это подтверждается и изотопными анализами углерода. В породах заонежской свиты δ 13 С примерно равен 0‰ (нормальное значение), а в подстилающей туломозерской свите значение этого изотопного коэффициента — повышенное (более 8‰), как и положено породам, образовавшимся в период события Ломагунди.
Всего ученые исследовали 210 метров керна осадочных отложений палеопротерозоя, охватывающих период несколько десятков миллионов лет. Эти отложения, относящиеся к заонежской свите, представлены аргиллитами и доломитами с прослоями шунгитов — пород типа черных сланцев (рис. 1), формировавшихся, как правило, в обстановке резкого снижения уровня кислорода (подробнее о черных сланцах см. Верхний слой океана в позднем архее местами уже был обогащен кислородом, «Элементы», 04.03.2019).
Общее содержание органического углерода Сorg в породах заонежской свиты составляет 14,5–27,4% — примерно столько же, сколько в современных богатых органикой морских отложениях. Но особое внимание авторов привлекли аномально высокие для черных сланцев концентрации в шунгитах металлов, являющихся индикаторами окислительно-восстановительной обстановки осадконакопления — молибдена (до 1009 мкг/г), урана (до 238 мкг/г) и рения (до 516 нг/г).
Первичные источники металлов-индикаторов в морских осадочных отложениях — минералы наземных пород, такие как пирит или уранинит, из которых металлы высвобождаются в процессе выветривания. При разрушении этих пород из-за выветривания металлы поступали в океан вместе с речным стоком и оставались в морской воде в растворенном виде до тех пор, пока не попадали в восстановительную среду и осаждались.
Основываясь на том факте, что из всех палеопротерозойских морских пород металлы-индикаторы концентрируются только в шунгитах, авторы предполагают, что в основном толща океанской воды 2,0–1,9 млрд лет назад — в то время, когда закончились и событие Ломагунди, и кислородная революция, — была все еще насыщена кислородом практически на уровне современных океанов. Исключение составляли лишь локальные бескислородные карманы, где формировались шунгиты и где шло осаждение Mo, U и Re.
Необычно высокими в шунгитах оказались и значения изотопного отношения δ 238 U (отклонение изотопной подписи 238 U/ 235 U в породе от подобного отношения в стандартном образце), которое традиционно служит редокс-индикатором среды Мирового океана. Значения этого коэффициента в изученных породах, лежащие в интервале от −0,03‰ до 0,79‰ указывают на то, что в период накопления осадков заонежской свиты толща воды была насыщена кислородом.
Значения изотопного коэффициента δ 238 U имеют обратную корреляцию как с уровнем кислотности среды, так и с биологической продуктивностью, отражающейся в объемах накопленной массы органического углерода. Например, в современном Черном море, где биологическая продуктивность очень низкая, значение δ 238 U в осадках только на 0,8‰ выше, чем в морской воде (M. B. Andersen et al., 2014. A modern framework for the interpretation of 238 U/ 235 U in studies of ancient ocean redox). Так как шунгитовые сланцы заонежской свиты богаты органическим углеродом (то есть в период их накопления биологическая продуктивность была высокой), остается только одно объяснение высоких значений δ 238 U: кислородная среда океана.
Ранее ни в одном исследовании не сообщалось о таких высоких показателях содержания металлов-индикаторов и значении δ 238 U в обогащенных органическим углеродом протерозойских черных сланцах. Значения такого уровня фиксировались только в фанерозойских породах, являясь свидетельством глубокой оксигенации (насыщения кислородом) океана, возникающей вследствие его взаимодействия с атмосферой (C. T. Reinhard et al., 2013. Proterozoic ocean redox and biogeochemical stasis) (рис. 2).
Рис. 2. Вариации изотопных коэффициентов углерода и урана, а также концентраций металлов, которые являются индикаторами окислительно-восстановительной среды, на протяжении геологической истории. По горизонтали — возраст в млн лет. Черные метки — данные авторов обсуждаемого исследования; серые метки — литературные данные. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience
Содержание органического углерода в шунгитах определялось на анализаторе LECO CS 444 путем сжигания образца в индуктивной печи при подаче кислорода. Концентрации металлов были получены методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP–MS), а значения δ 238 U — методом многоколлекторной масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (MC–ICP–MS).
Результаты исследования ставят под сомнение общепринятое мнение о том, что после кислородного всплеска в начале протерозоя на Земле наступил «бескислородный» период, продолжавшийся около миллиарда лет, вплоть до неопротерозоя. Авторы считают, что и после окончания события Ломагунди в атмосфере оставалось достаточно кислорода, и продолжалась атмосферная оксигенация океана, воды которого были насыщены кислородом до середины палеопротерозоя, хотя и отмечают, что это могло касаться не всего Мирового океана, а только локального бассейна, в котором накапливались отложения заонежской свиты.
Тем не менее, ученые отмечают, что сохранение как минимум до середины палеопротерозоя оксигенированных бассейнов могло иметь решающее значение для эволюции жизни на Земле. Палеопротерозой — это время появления первых эукариот — предшественников всей сложной жизни, для развития которой необходим высокий уровень кислорода в окружающей среде.
Данное исследование показывает, что кислородные условия в палеопротерозое сохранялись значительно дольше, чем считалось ранее, а значит, у первых эукариот было значительно больше времени для появления и ранней эволюции.
Источник
Концентрации кислорода в океане раскрывает геологическую историю Земли
Артем Кучинский, PhD, Шведский музей естественной истории
Химия Мирового океана зависит от присутствия в воде и в атмосфере кислорода. Этот активный компонент способен вступать в реакцию с различными элементами и соединениями, изменяя их концентрацию и круговорот в природе, что отражается на составе осадочных пород и на комплексах ископаемых организмов. Лабораторные анализы образцов пород той или иной эпохи позволяют оценить содержание химических элементов, их соединений и изотопов в древней морской воде и донных осадках. А так как океан взаимосвязан с атмосферой, то и о составе древней атмосферы можно судить по результатам такого анализа.
Исследования океанов в рамках проекта NordCEE охватывают всю их историю, начиная с древнейших известных на поверхности Земли осадочных пород формации Исуа в Гренландии. Они образовались более 3,8 млрд лет назад, в архее, на дне древнего бескислородного океана, после окончания периода массированной астероидно-метеоритной бомбардировки Земли. В дальнейшей геологической истории содержание кислорода изменялось неравномерно. Глубины океана содержали огромное количество растворенного железа, которое в практически бескислородной обстановке отлагалось в результате жизнедеятельности микроорганизмов в виде железистых кварцитов.
Лабораторные анализы образцов пород и ископаемых различных геологических эпох позволяет восстановить историю кислорода на Земле, а вместе с ней — и историю биологической эволюции
В начале протерозоя выработка кислорода цианобактериями (сине-зелеными водорослями) привела 2,45-2,2 млрд лет назад к первому значительному событию — увеличению содержания кислорода на Земле. Однако изучение осадочных пород Гренландии и Канады показало, что содержание кислорода испытывало колебания накануне, а в разгар самого события, даже несмотря на обогащение атмосферы кислородом, океан оставался в основном бескислородным. По-прежнему доминировали микробные сообщества, характерные для бескислородных обстановок. Кислородное дыхание является гораздо более эффективным способом получения энергии, чем другие физиологические процессы, в особенности при многоклеточности и крупных размерах, но все еще относительно низкий уровень кислорода в океане существенно ограничивал возможности эволюции эукариот — живых организмом, клетки которых содержат ядра.
Как свидетельствуют находки относительно крупных ископаемых организмов в протерозое (2.5-0,54 млрд лет назад), построение тела из клеток как строительных блоков возникало независимо несколько раз. Некоторые из этих древних групп организмов, такие как красные и зеленые водоросли, существуют и доныне. Исследование методом рентгеновской томографии необычных ископаемых возрастом 2,1 млрд лет из темных сланцев Габона показало, что они, скорее всего, представляли собой один из ранних природных экспериментов с многоклеточностью. Эти, по-видимому, колониальные, эукариоты жили в кислородных мелководно-морских обстановках, тогда как глубинные воды океана в это время все еще оставались насыщенными растворенным железом и были почти бескилородными.
По традиционным представлениям, постепенный рост содержания кислорода привел к связыванию и осаждению избытка растворенного железа в древнем океане. Исследования показали, что одного кислорода для этого было недостаточно. В условиях постепенного роста его содержания в атмосфере именно сульфаты, в избытке приносимые с суши и преобразуемые сульфат-редуцирующими бактериями в сульфиды, способствовали связыванию избытка железа. Таким образом, мировой океан, который существовал 0,8-1,85 млрд лет назад в протерозое, был намного более насыщен сульфидами, чем современный.
Второе крупнейшее событие обогащения поверхности планеты кислородом произошло 0,8-0,54 млрд лет назад в неопротерозое, эре великих оледенений. Некоторые из этих оледенений, судя по их следам, покрывали всю поверхность Земли, делая ее похожей на снежный ком. В неопротерозое эукариоты активно эволюционируют, а к концу неопротерозоя появляются крупные организмы так называемой эдиакарской фауны.
Швейцарское озеро Каданго оказалось хорошей моделью геохимической системы насыщенного сульфидами океана
Фото: Danish National Research Foundation
Для оценки изменения концентрации кислорода в океане применялся анализ содержания геохимически и биологически активных соединений железа, а также соотношения изотопов молибдена в осадочных породах этого времени. Исследования древних осадочных пород в Южной Америке и на острове Ньюфаунленд показали, что начиная примерно с 2 млрд лет назад и почти до конца неопротерозоя по неизвестной пока причине концентрация кислорода в глубинных водах океана снизилась, и они были обогащены растворенным железом, как в архее, а резкое повышение уровня кислорода действительно произошло как раз накануне появления около 575 млн лет назад загадочной эдиакарской фауны. В следующем, кембрийском периоде, наблюдается взрыв разнообразия уже значительно более похожих на современные многоклеточных животных. Однако никаких существенных различий с эдиакарским периодом в геохимии поверхности Земли и в уровне кислорода, которые могли бы соответствовать такому крупнейшему эволюционному событию, геологическая летопись кембрийского периода не фиксирует.
Древнейшие экосистемы не оставили почти никаких следов, так как породы того времени давно исчезли с поверхности Земли в результате геологических процессов. Поэтому не только — пользуясь девизом геологических конгрессов — «умом и молотком» добываются знания о древних океанах и их обитателях.
Другой подход заключается в математическом моделировании, а также в поиске и изучении современных аналогов микробных экосистем далекого прошлого, в масштабах от лабораторной пробирки до естественного водоема. Так, озеро Каданго в Швейцарии, с его сообществами сульфид-окисляющих бактерий в придонных водах, оказалось хорошей моделью геохимической системы насыщенного сульфидами океана, а озеро Матано в Индонезии, с достигающими световой зоны бескислородными и насыщенными железом водами, — уникальным подобием обогащенных железом океанов докембрия.
Согласно традиционной точке зрения, распространение кислородного фотосинтеза бактерий изначально открыло возможности эволюции аэробных микроорганизмов и резко увеличило первичную биопродуктивность. Анализ современных бактериальных сообществ позволил сделать вывод о том, что анаэробные фотосинтезирующие бактерии, окисляющие железо, могли быть важным компонентом древнейшей биосферы, а ее первичная биопродуктивность на основе бескислородного фотосинтеза могла быть сравнима с современной. Появление цианобактерий, таким образом, изначально могло лишь усложнить экосистему древнего океана, но не перестроило ее. То количество кислорода в атмосфере, которое возникало в результате небиологических процессов, было, по-видимому, достаточно для существования сообщества аэробных микроорганизмов и до появления цианобактерий. Лабораторные эксперименты показали, что даже кишечная палочка Escherichia coli , обычно обитающая в богатых кислородом средах, прекрасно способна существовать и при предполагаемых архейских концентрациях кислорода, более чем в сто тысяч раз ниже современных в атмосфере.
Исследователи из Центра NordCEE изучают историю Земли, прежде всего, как геохимики и микробиологи, за что заслужили уже множество научных наград, а директору Центра Дону Канфилду в прошлом году Европейский союз геологических наук вручил медаль имени великого русского ученого-геохимика В.И. Вернадского.
Источник
