Океаны Земли раньше были зелёными — и могут снова стать фиолетовыми, говорят учёные

Почти три четверти поверхности Земли покрыты океанами, из-за чего из космоса планета выглядит как бледно-голубая точка. Однако японские исследователи представили убедительные доказательства того, что когда-то океаны Земли были зелёными. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале Nature.

Почему древние океаны могли быть зелёными?

Изменение цвета океанов в древности связано с их химическим составом и эволюцией фотосинтеза. Когда я учился на бакалавриате по геологии, нас учили важности особого типа горных пород — железисто-полосчатых формаций, которые фиксируют геологическую историю планеты.

Эти формации осаждались в архейскую и палеопротерозойскую эры, примерно 3,8–1,8 миллиарда лет назад. В то время жизнь существовала только в виде одноклеточных организмов, обитавших в океанах. Континенты представляли собой безжизненный ландшафт из серых, коричневых и чёрных пород и отложений.

Железо, вымываемое дождями с континентальных пород, попадало в океаны через реки. Другим источником железа были подводные вулканы. Это железо сыграло ключевую роль в последующих процессах.

Ранняя фотосинтетическая жизнь

В архейскую эру в атмосфере и океанах Земли практически не было кислорода. Именно в это время появились первые организмы, получавшие энергию от солнечного света. Они использовали анаэробный фотосинтез — то есть фотосинтез без участия кислорода.

Это привело к важным изменениям: побочным продуктом анаэробного фотосинтеза является газообразный кислород. Этот кислород связывался с растворённым в морской воде железом. Только после того как всё железо было окислено, кислород начал накапливаться в атмосфере.

Так началось так называемое великое кислородное событие — ключевой экологический момент, сделавший возможной жизнь в её сложных формах. Он ознаменовал переход от почти полностью безкислородной Земли к планете с насыщенными кислородом океанами и атмосферой.

Железисто-полосчатые формации отражают этот переход: в них чередуются слои железа, осаждённого без кислорода, и красного, окисленного железа.

Аргументы в пользу зелёных океанов

Недавнее исследование начинается с наблюдения: воды вокруг японского вулканического острова Иводзима имеют зеленоватый оттенок. Это связано с наличием в воде окисленного железа — Fe(III). В этих водах прекрасно развиваются цианобактерии, известные как сине-зелёные водоросли.

Несмотря на своё название, сине-зелёные водоросли — это примитивные бактерии, а не настоящие водоросли. В архейскую эру предки современных цианобактерий сосуществовали с другими бактериями, использовавшими двухвалентное железо (Fe²⁺) вместо воды в качестве источника электронов для фотосинтеза. Это указывает на высокую концентрацию железа в древних океанах.

Фотосинтетические организмы используют пигменты (в основном хлорофилл) для преобразования CO₂ в сахара с помощью солнечной энергии. Хлорофилл придаёт растениям зелёный цвет. Цианобактерии необычны тем, что, помимо хлорофилла, содержат второй пигмент — фикоэритробилин (PEB).

Исследователи выяснили, что генетически модифицированные современные цианобактерии, содержащие PEB, лучше растут в зелёной воде. Хотя хлорофилл эффективен при видимом свете, PEB показывает преимущество в условиях, где преобладает зелёный спектр.

До появления кислородного фотосинтеза океаны содержали восстановленное железо, растворённое в воде. Появление фотосинтеза привело к образованию окисленного железа. По результатам компьютерного моделирования, концентрация окисленного железа в результате раннего фотосинтеза могла сделать океанскую поверхность зелёной.

Когда всё железо в океанах окислилось, кислород (O₂) начал накапливаться в атмосфере и воде. Один из ключевых выводов исследования — если в космосе видна планета с бледно-зелёными океанами, это может быть признаком ранней фотосинтетической жизни.

Постепенные изменения цвета океанов

Изменения в химии океанов происходили постепенно. Архейская эра длилась 1,5 миллиарда лет — более половины всей истории Земли. Для сравнения, вся эволюция сложной жизни занимает лишь около одной восьмой истории планеты.

Вероятно, цвет океанов также менялся постепенно и даже колебался. Это может объяснить, почему у цианобактерий развились два типа фотосинтетических пигментов. Хлорофилл подходит для белого света, как у нашего Солнца сегодня. Способность использовать и зелёный, и белый свет давала эволюционное преимущество.

Могут ли океаны снова изменить цвет?

Вывод из японского исследования прост: цвет океанов зависит от химического состава воды и влияния жизни. Мы можем представить себе океаны другого цвета — и это вовсе не фантастика.

• Фиолетовые океаны возможны при высоком содержании серы, что может быть связано с интенсивной вулканической активностью и низким содержанием кислорода. В таких условиях доминируют фиолетовые серные бактерии.
• Красные океаны могут появиться в условиях тропического климата, когда из разрушающихся пород вымывается окисленное железо и попадает в океан через реки или ветры. Также красный цвет может появиться, если океаны захватят водоросли, вызывающие «красные приливы».

Эти водоросли особенно активно размножаются в районах с высоким содержанием удобрений, таких как азот. Сегодня это чаще всего наблюдается у побережий рядом с канализационными стоками.

Со временем Солнце станет ярче, что вызовет увеличение испарения и усиление УФ-излучения. Это может благоприятствовать фиолетовым серным бактериям, обитающим в глубоких безкислородных водах.

Таким образом, в прибрежных или слоистых зонах могут появляться фиолетовые, коричневые или зелёные оттенки воды, а насыщенный синий цвет уменьшится из-за сокращения численности фитопланктона. В конечном итоге, когда Солнце раздуется и поглотит орбиту Земли, все океаны испарятся.

На геологических масштабах ничто не вечно — изменение цвета океанов неизбежно.