Японские исследователи попытались математически и химически смоделировать, как «Кислородная катастрофа» — спровоцированный цианобактериями рост концентрации кислорода в атмосфере на рубеже архея и протерозоя — повлияла на химический состав океанов древней Земли. По их версии, из-за насыщения гидроксидом железа океаны на некоторое время стали зелеными. Именно поэтому цианобактерии в то время массово приобрели пигмент, улавливающий зеленый свет: никакой другой практически не проникал под воду.
По меткому выражению Карла Сагана, Земля с большого расстояния представляется «бледно-голубой точкой». Мы настолько привыкли к синему, как к цвету Земли, что, услышав про «голубую планету» (или «синюю планету»), мы сразу вспомним именно Землю (а не Нептун, например, хотя он более синий). Синий цвет Земле придают океаны и атмосфера, которые, в свою очередь, обязаны им рэлеевскому рассеянию.
Но группа японским ученых считает, что так было не всегда. В своей статье в журнале Nature Ecology & Evolution они предполагают, что океаны в архейском эоне какое-то время были зелеными. Ну или хотя бы зеленовато-синими
Около трех миллиардов лет назад Земля выглядела, в общем-то, как сейчас. Конечно, не было никакой зелени на континентах. Но небо и океаны были голубыми. В атмосфере отсутствовал кислород, поэтому среда была восстановительной, а не окислительной, как сейчас. Океаны были богаты двухвалентным железом, хорошо сохранявшимся в восстановительной атмосфере.
Но именно в это время в океанах Земли возникли цианобактерии (см. Перенастроенные «молекулярные часы» показали более точное время появления кислородного фотосинтеза, «Элементы», 12.10.2021). Эта группа бактерий путем горизонтального переноса как-то заполучила гены сразу двух фотосистем (от других бактерий, которые уже использовали их поодиночке). Работая «в тандеме», они смогли окислять кислород в составе воды до свободного кислорода, тем самым подарив своим обладателям неисчерпаемый ресурс для фотосинтеза: в океане воды в буквальном смысле залейся.
Концентрация кислорода в атмосфере повысилась примерно в тысячу раз (см. Кислородная революция и Земля-снежок). И, хотя она составляла всего-то 1–10% от современной, для тогдашних организмов это стало действительно катастрофой, вызвавшей перестройку всей биосферы: кислород был токсичен для тогдашних организмов. Развившись в восстановительной среде, они не имели никаких систем защиты от этого сильнейшего газа, по окислительной силе превосходящего хлор и уступающего только фтору. Всем бактериям — и самим цианобактериям тоже — пришлось срочно приобретать белки, которые могли бы утилизировать кислород с получением при этом энергии (см. Геномы новооткрытых цианобактерий свидетельствуют о позднем появлении кислородного фотосинтеза, «Элементы», 03.04.2017). В этом тоже помог горизонтальный перенос генов (от абсолютно разных бактерий), а сами эти белки известны нам как комплексы дыхательной цепи.
Но японские ученые в своей статье указывают еще на одно — менее очевидное — последствие появления большого количества кислорода для экосистемы. Ведь если океан в исходной точке был насыщен двухвалентным железом, значит, при насыщении воды кислородом оно должно было постепенно окислиться в трехвалентное. Оно и окислилось, отложившись впоследствии в виде полосчатых железистых кварцитов (см. Banded iron formation). Но железо не сразу оказалось включенным в составе горных пород — динамика процесса была куда сложнее.
Авторы установили в экспериментах, что кислород окисляет растворенное в воде двухвалентное железо с образованием гидроксида железа (III) в виде наночастиц. Эти наночастицы имеют малый размер до 100 нм, что позволяет им не оседать долгое время, формируя коллоидный раствор.
Затем, используя ранее опубликованные оценки концентрации двухвалентного железа и кислорода в океане древней Земли, исследователи построили математическую модель образования этой формы гидроксида железа с помощью численного решения дифференциальных уравнений. Этим методом им удалось оценить концентрацию коллоидного гидроксида железа в древних океанах: в приповерхностном слое, куда хорошо проникает солнечный свет и где обитают цианобактерии, она составляла порядка 10 мкмоль/л.
Наконец, они экспериментально измерили, какие длины волн видимого света лучше всего пропускает такой раствор. В обычной воде наилучшее светопропускание демонстрирует синий и голубой свет с длиной волны от 450 до 550 нм — именно поэтому под водой мир предстает перед нами в голубых тонах. Но 10 мкмоль/л коллоидного гидроксида железа резко меняют картину — минимальное поглощение в такой воде демонстрирует зеленый свет, имеющий узкий диапазон длин волн от 500 до 600 нм. Из-за этого уже глубины 5–10 м освещались в таком океане преимущественно зеленым светом.
Учёным удалось проверить свои выкладки наблюдательным путем. Несмотря на то, что двухвалентное железо в океанах Земли давным-давно окислилось, в районе острова Иодзима в архипелаге Сацума (не путать с Иводзимой) сохранилась акватория с высоким его содержанием. Сацума-Иодзима — остров вулканического происхождения. Как и у более известного тезки, его название буквально означает «серный остров» из-за выделяемых вулканами соединений серы. Но Сацума-Иодзима может похвастаться также выбросами двухвалентного железа из горячих источников на морском дне. Процесс окисления железа кислородом, который исследователи постулируют для океанов древней Земли, идет вокруг острова и сейчас — и подводный мир здесь действительно имеет зеленые оттенки
Существуют ли на сегодняшний день какие-то еще доказательства, что в глубины древнего океана проникал зеленый свет — а не синий, как сейчас? Авторы призвали в свидетели самих цианобактерий, которые развивались именно в таких условиях (справедливости ради, цианобактерии их сами и сотворили). Исследователи провели филогенетический анализ генных и белковых последовательностей пигментов, составляющих светособирающие комплексы современных цианобактерий. Анализ показал, что у ранних цианобактерий — живших примерно во времена «Кислородной катастрофы», когда океаны массово окислялись, — возник и приобрел широкое распространение пигмент фикоэритрин (ФЭ). Этот пигмент входят в состав светособирающего комплекса, помогающего улавливать солнечный свет, об эволюции которого подробно рассказывалось в новости Новый вид цианобактерий проливает свет на эволюцию кислородного фотосинтеза («Элементы», 17.01.2022). Максимум его поглощения лежит именно в зеленой части спектра. У цианобактерий, которые эволюционировали позже и уже жили при голубом или белом свете, авторы насчитали гораздо меньшую встречаемость фикоэритрина. По их мнению, это указывает на жизнь древних цианобактерий в узком «световом окне» зеленого света.
Справедливости ради отметим, что зеленый свет — это середина спектра видимого света, поэтому и наличие приспособленных под него пигментов можно интерпретировать совершенно по-разному. Например, Минь Чэнь (Min Chen), профессор молекулярной биологии растений в Университете Сиднея, не убеждена в такой однозначной связи появления фикоэритринов и зеленого цвета. В своем комментарии журналу New Scientist она отмечает, что чувствительные к зеленому свету пигменты есть даже у почвенных цианобактерий, явно не сталкивающихся с зеленым светом, — они нужны им для защиты от оксидативного стресса.
Лишь в сочетании с математическими и химическими данными филогенетика позволяет осторожно выдвинуть гипотезу, что примерно во время «Кислородной катастрофы» океан был насыщен коллоидным гидроксидом железа, поэтому пропускал в основном зеленый свет. Самое интересное, что тогда и сверху океан должен был бы выглядеть зеленым. Пример такого эффекта авторы сфотографировали в районе того же острова Сацума-Иодзима, где морские воды окрашены в синевато-зеленый цвет . Как и сине-голубой цвет современных океанов, эта зеленая «окраска» создается комбинацией отражения, светопоглощения и рэлеевского рассеяния. Если говорить очень просто, то отражаются океаном те длины волн, которые хуже всего поглощаются. Так что, если древний океан был зеленым «внутри», он был зеленым и «снаружи».
Тогда получается, что около 2,5 млрд лет назад с расстояния 6 миллиардов километров Земля выглядела не бледно-голубой, а бледно-зеленой точкой. Гипотеза очень интригующая — но, как уже было сказано выше, все свидетельства в ее пользу в обсуждаемой статье лишь косвенные и не слишком неоднозначные. Так что, возможно, мы никогда не узнаем, какого цвета были океаны на Земле, когда атмосфера наполнялась кислородом.
Георгий Куракин
Источник – ЭЛЕМЕНТЫ