Нові дослідження показали, що Камбрійський вибух, одна з найважливіших подій в історії життя на Землі, можливо, був спричинений невеликим збільшенням рівня кисню. Використовуючи дані міжнародного консорціуму вчених, дослідники довели, що навіть незначні зміни рівня кисню могли спричинити значний еволюційний стрибок, який ми бачимо у викопних рештках.
Що таке Камбрійський вибух?
Камбрійський вибух відбувся приблизно 540 мільйонів років тому і спричинив стрімкий сплеск еволюції, що призвело до значного розмаїття життя на планеті. До цього життя складалося переважно з одноклітинних та менших багатоклітинних організмів. Але викопні рештки показують, що протягом 20-30 мільйонів років – фактично одного серцебиття в геологічному часі – з’явилася величезна різноманітність складних істот. Кожен новий вид мав свої унікальні тіла з такими особливостями, як мінералізовані оболонки, хватальні придатки та органи чуття, такі як очі.
“Тварини, яких ми спостерігаємо як викопні рештки в породах цього віку, можуть здатися нам дивними та чудовими,” пояснив доктор Річард Стокі, провідний автор нового дослідження та палеобіолог з Університету Саутгемптона. “Але екологічні ролі, які вони відігравали, були дуже схожими на морських тварин, яких ми знаємо і любимо сьогодні.”
“З’ясування, чи було екологічне підґрунтя для цього (геологічно) швидкого зрушення у населеності океанів Землі, є фундаментальним питанням для нашого розуміння біосфери і навіть потенційної населеності інших планет.”
Наукова невизначеність
Десятиліттями вчені вважали, що Камбрійський вибух був спричинений раптовим зростанням атмосферного кисню, що наблизило рівні кисню в океанах до сучасних.
Однак докази цього були обмежені, розкидані та, в деяких випадках, суперечливі.
“Наша спільнота балансує між різними лініями доказів, заснованими на хімічному складі стародавніх відкладень,” додав Стокі. “Деякі з них вказували на значну кисневу подію навколо Камбрійського вибуху, тоді як інші свідчили, що таке кисневе насичення не відбулося до приблизно 140 мільйонів років пізніше.”
Але проведення великомасштабного аналізу даних дозволило Стокі та його колегам виявити, що лише невелике збільшення атмосферного кисню фактично відбулося під час Камбрійського вибуху.
“Ми продемонстрували, що ці зміни в окисненні океану, ймовірно, мали місце в той час, коли вони могли відіграти ключову роль у значних екологічних та еволюційних змінах, які ми бачимо під час так званого Камбрійського вибуху.”
Аналіз даних
Для цього дослідники проаналізували дані, що показують рівні металів урану та молібдену в осадових породах, що утворилися в низькооксигенних умовах на дні стародавніх океанів. Концентрація цих металів у чорному сланці є корисною для оцінки рівнів кисню в океані, фактично дозволяючи досліджувати їх протягом 700 мільйонів років історії.
У минулому дослідження знаходили сліди металів у чорному сланці під час Камбрійського вибуху, але вони базувалися на даних, зібраних у місцях, де місцеві фактори могли призвести до збільшення концентрації металів. Але статистичні та машинні методи навчання дозволили Стокі та його команді оцінити дані у значно більшому масштабі та співставити їх з океанографічними моделями, що дають краще уявлення про історичні рівні кисню.
Вони виявили, що зміни в органічному вуглеці у чорному сланці призвели до змін у слідах металів, які дослідники спостерігали останні 15-20 років.
“Тільки через 140 мільйонів років після Камбрійського вибуху, у девонський період, ми бачимо збільшення слідів металів на рівні, що свідчить про кисневе насичення всього океану,” пояснив Стокі у заяві.
Встановлення кисневої історії
Дані з чорного сланцю були зібрані в рамках Проекту седиментарної геохімії та палеосередовищ. Це перший у своєму роді дослідницький консорціум, який об’єднує геохімічні дані у стандартизований набір для спільного та великомасштабного аналізу.
“Наш спільнотний підхід був абсолютно критичним для здійснення цього дослідження,” сказав Стокі в інтерв’ю IFLScience. “Ми виявили, що екологічні умови, в яких відкладалися морські осади, часто мають велике значення для структурування хімічного складу цих осадових порід, що впливає на записи, які геохіміки використовують для реконструкції окиснення океанів.”
Геологи є фахівцями з визначення ключових екологічних змін, але вони мають обмеження.
“Геологія історично була досить описовою наукою, і описові дані часто важко інтегрувати в сучасні методи обробки даних та машинного навчання. Співпрацюючи з геологами, які спочатку описали та зібрали конкретні зразки, які ми використовуємо в цьому дослідженні, ми можемо всі використовувати спільну мову та словник для опису відмінностей між породами з різних географічних місць і періодів.”
Завдяки цій спільній мові дослідники можуть застосовувати сучасні методи обробки даних, що використовують це “геологічне знання” для вирішення значних питань, як-от те, що досліджується тут.
“Ми продемонстрували, що ці зміни в окисненні океану, ймовірно, мали місце в той час, коли вони могли відіграти ключову роль у значних екологічних та еволюційних змінах, які ми бачимо під час так званого Камбрійського вибуху. Я дуже схвильований, що зможу продовжувати досліджувати, наскільки ці зміни дійсно спричинили ці зміни,” підсумував Стокі.
“Я вважаю, що ми маємо багато чого навчитися у дослідників, які працюють над впливом екологічних змін у сучасних океанах, а також продовжувати розвивати методи, які перетворюють геологічні та палеонтологічні знання у потужні набори даних, які можна ретельно перевіряти за допомогою сучасних методів обробки даних.”