Новые исследования показывают, что кембрийский взрыв, один из важнейших периодов в истории жизни на Земле, мог быть вызван небольшим повышением уровня кислорода. Используя наборы данных международного консорциума ученых, команда показывает, что скромные изменения уровня кислорода могли быть достаточными, чтобы вызвать крупный эволюционный скачок, который мы видим в ископаемой летописи. Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.
Кембрийский взрыв произошел около 540 миллионов лет назад и принес с собой стремительный всплеск эволюции, который привел к большему разнообразию жизни на планете. До этого жизнь в основном состояла из одноклеточных и более мелких многоклеточных организмов. Но ископаемая летопись показывает, что в течение 20-30 миллионов лет — по сути, одного биения сердца в геологическом времени — мы видим огромное разнообразие возникающих сложных существ. Каждый новый вид имеет свой собственный странный и новый план тела с такими особенностями, как минерализованные раковины, хватательные придатки и органы чувств, такие как глаза.
«Конкретные животные, окаменелости которых мы наблюдаем в породах этого возраста, могут казаться нам странными и удивительными, — объяснил изданию Ричард Стоки, ведущий автор нового исследования и палеобиолог из Университета Саутгемптона, — но экологическая роль, которую они играли, очень похожа на роль морских животных, которых мы знаем и любим сегодня».
«Выяснение того, была ли экологическая причина этого (геологически) быстрого изменения обитаемости океанов Земли, является вопросом, имеющим основополагающее значение для нашего понимания нашей биосферы и даже потенциально для обитаемости других планет».
На протяжении десятилетий ученые полагали, что кембрийский взрыв был вызван внезапным всплеском содержания кислорода в атмосфере, в результате чего уровень кислорода в океане приблизился к сегодняшнему.
Однако доказательства этого ограничены, разрозненны и в некоторых случаях противоречивы.
«Как сообщество, мы сопоставляем различные линии доказательств, основываясь на химическом составе древних отложений», — добавил Стоки. «Некоторые из них, по-видимому, указывают на крупное событие оксигенации около кембрийского взрыва, в то время как другие, по-видимому, указывают на то, что такой масштаб оксигенации произошел лишь примерно 140 миллионов лет спустя».
Однако, проведя комплексный, масштабный анализ данных, Стоки и его коллеги обнаружили, что во время кембрийского взрыва фактически произошло лишь небольшое увеличение содержания кислорода в атмосфере.
«Мы продемонстрировали, что эти изменения в оксигенации океана, вероятно, произошли в то время, когда они могли сыграть ключевую роль в крупных экологических и эволюционных изменениях, которые мы наблюдаем во время так называемого кембрийского взрыва», — сказал Стоки.
Они сделали это, проанализировав данные, показывающие уровни металлов урана и молибдена, содержащихся в осадочных породах, которые образовались в условиях низкого содержания кислорода на дне древних океанов мира . Концентрация этих металлов в черном сланце полезна для оценки уровней кислорода в океане, по сути, предлагая способ исследовать их на протяжении 700 миллионов лет истории.
В прошлом исследования находили следы металлов в черном сланце во время кембрийского взрыва, но они основывались на данных, собранных с участков, где локальные факторы могут привести к повышению уровня концентрации металлов. Но статистические и машинные методы обучения позволили Стоки и его команде оценить данные в гораздо большем масштабе и сопоставить их с океанографическими моделями, которые дают более точную картину исторических уровней кислорода.
Они обнаружили, что изменения в органическом углероде в черном сланце привели к изменениям в следовых количествах металлов, которые исследователи наблюдали в течение последних 15–20 лет.
«Только через 140 миллионов лет после кембрийского взрыва, в девонский период, мы видим, как содержание следов металлов увеличивается со скоростью, которая могла бы указывать на насыщение всего океана кислородом», — пояснил Стоки.
Данные по черному сланцу были собраны в рамках проекта Sedimentary Geochemistry and Paleoenvironments Project. Это первый в своем роде исследовательский консорциум, который объединяет геохимические данные в стандартизированный набор данных для совместного и масштабного анализа.
«Наш подход, ориентированный на сообщество, имел решающее значение для того, чтобы это исследование стало возможным», — сказал Стоки. «Мы обнаружили, что условия окружающей среды, в которых формировались морские отложения, часто играют важную роль в формировании химического состава этих осадочных пород, влияя на данные, которые геохимики используют для реконструкции оксигенации океанов».
Геологи — специалисты по выявлению ключевых изменений окружающей среды, но у них есть ограничения.
«Геология исторически была довольно описательной наукой, а описательные данные часто трудно интегрировать в современные методы науки о данных и машинного обучения. Работая с геологами, которые изначально описывали и собирали конкретные образцы, которые мы используем в этом исследовании, мы все можем использовать общий язык и словарь для описания различий между горными породами, которые мы используем из разных географических мест и периодов времени», — объяснили авторы исследования.
Используя этот общий словарь, исследователи могут применять сложные методы науки о данных, которые используют эти «геологические знания» для решения важных вопросов, подобных тому, который исследуется здесь.
«Мы продемонстрировали, что эти изменения в оксигенации океана, вероятно, произошли в то время, когда они могли сыграть ключевую роль в крупных экологических и эволюционных изменениях, которые мы наблюдаем во время так называемого кембрийского взрыва. Я действительно взволнован продолжением исследования того, в какой степени эти изменения действительно привели к этим изменениям», — заключил Стоки. «Я думаю, что нам есть чему поучиться у исследователей, которые изучают последствия изменений окружающей среды в современных океанах, а также продолжают разрабатывать методы, которые преобразуют геологические и палеонтологические знания в мощные наборы данных, которые можно тщательно проверить с помощью современной науки о данных».
