Давній океан перетворив Землю на зелену планету на 2,5 мільярда років

Три мільярди років тому наша планета могла виглядати не блідо-блакитною, якою її бачать сьогодні з космосу апарати, а мати зовсім інші відтінки. Вчені знайшли зв’язок між залізом в океані, еволюцією бактерій та кольором Землі у минулому.

Ціанобактерії — група бактерій, що фотосинтезують. Як і рослини, вони здатні перетворювати сонячну енергію на хімічну та виділяти кисень як побічний продукт фотосинтезу. Ці організми вважаються  одними з найдавніших форм життя на Землі: їх сліди виявлені у вигляді строматолітів (донні відкладення, створені ціанобактеріями, скам’янілі бактеріальні мати старовини), яким більше ніж 3,5 мільярда років, що свідчить про їх існування вже на ранніх етапах еволюції нашої планети.

У рослин центральний елемент фотосинтезу — хлорофіл — пігмент, що знаходиться в хлоропластах клітин. Він поглинає світло в синіх та червоних областях спектра та відображає зелений. Саме відображення зеленого світла робить листя рослин зеленим. Хлорофіл є і у ціанобактерій, а у деяких видів ще й група додаткових водорозчинних пігментів — фікобілінів. До складу цієї групи входить фікоеритробілін, який поглинає світло в зеленій та жовтій областях спектра, з довжинами хвиль приблизно від 495 до 570 нанометрів.

Команда японських учених під керівництвом Таро Мацуо (Taro Matsuo) з Нагойського університету задалася двома питаннями: навіщо ціанобактеріям потрібні додаткові пігменти (фікоеритробілін), якщо вони вже мають хлорофіл? Що наявність таких пігментів може говорити про середовище, в якому розвивалися перші фотосинтезуючі організми? Дослідники провели серію експериментів та симуляцій, щоб зрозуміти, як древній океан, який мільярди років тому майже повністю покривав поверхню Землі, вплинув на еволюцію ціанобактерій.

За словами Мацуо, під час архейського еону — один із чотирьох еонів історії Землі, що охоплює проміжок часу від чотирьох до 2,5 мільярда років тому — океан був насичений залізом, яке розчинялося у воді у вигляді гідроксиду заліза (Fe(OH)₃). Ця речовина чимось нагадує іржу — пухка, коричнево-червона. Мацуо та його колеги провели моделювання, щоб дізнатися, яка кількість гідроксиду заліза могла бути на той час в океані, та визначити область спектра, яка була необхідна для фотосинтезуючих організмів. Вчені використовували комп’ютерні моделі, що дозволяють «відтворити» умови, схожі на умови в археї.

Моделювання показало, що в архейському океані було так багато гідроксиду заліза, що він діяв як гігантський фільтр: поглинав світло в синій області спектра. Вода, своєю чергою, поглинала світло у червоній області спектра, як і зараз. Зелене світло мало залишатися «невразливим» і могло проникати в глибини. Вчені дійшли висновку, що з великою ймовірністю в глибини проникало зелене світло в діапазоні довжин хвиль, яке сьогодні поглинається додатковими водорозчинними пігментами ціанробактерій — фікобілінами.

Однак моделювання – це лише частина роботи. Щоб переконатися у своїй правоті, дослідники провели експеримент. Вони спробували виростити в лабораторії під різним світлом кілька видів ціанобактерій (з фікоеритробіліном і без нього). Ті ціанобактерії, які мали фикоэритробилин, зростали в рази швидше «звичайних» під впливом зеленого світла (у діапазоні довжин хвиль, який, ймовірно, проникав у глибини древнього океану). Раніше генетичний аналіз показав, що пігмент фікоеритробілін був присутній у загального предка сучасних ціанобактерій. Тобто зелена «навичка» — не випадкова мутація, а давній еволюційний винахід.

Дослідники пішли ще далі і вирушили до японського вулканічного острова Іо, який є частиною архіпелагу Кадзан. Там на глибині 5,5 метра гарячі джерела насичують воду залізом, через що вода навколо острова має зелений колір, як в архейському океані. Виявилося, на цій глибині ціанобактерії з додатковими «зеленими пігментами» буквально захопили територію, а біля поверхні, де більше синього світла, домінували інші види без фікоеритробіліну. Інакше кажучи, природа сама повторила лабораторний експеримент, підтвердивши, що завжди адаптується під умови середовища.

Вчені зробили висновок, що три мільярди років тому океан нагадував гігантський «залізний суп». Він був насичений гідроксидом заліза, яке поглинало синє світло, а вода, як і зараз, «забирала» червоне. В океанські глибини проникала більшість зеленого світла, а деяка частина відбивалася від поверхні. Це світло найсильніше вплинуло на загальний відтінок Землі.

У таких умовах еволюціонували ціанобактерії. Їм довелося підлаштуватися під доступне світло. Вони розвинули додаткові пігменти, що ловили зелені промені для фотосинтезу. Ці пігменти допомагали бактеріям виживати в унікальному середовищі. Згодом ціанобактерії почали виділяти кисень. Він вступав у реакцію із розчиненим в океані залізом, утворюючи оксиди заліза, важкі частки яких опускалися на дно. Зелений період Землі закінчився приблизно 600 мільйонів років тому, коли кисень, що виробляється бактеріями, повністю окислив залізо в океані. Сліди цієї події збереглися у вигляді смугастих залізних руд — верств оксидів у стародавніх породах.

Згодом вода стала прозорою, зелений відтінок зник, і Земля поступово «переодяглася» у блідо-блакитний колір, який бачать із космосу апарати. Сучасний колір Землі — заслуга як океанів, а й атмосфери. Релеевское розсіяння (явище, у якому синє світло сильніше розсіюється у повітрі) забарвлює небо блакитний, змішуючись із темно-синім кольором океанів.

Але навіть сьогодні в прибережних водах, де багато органіки (листя, водорості, мул), вода часто здається зеленою. Органіка поглинає синє світло, залишаючи зелене ціанобактерії, які досі його використовують для фотосинтезу. А ще зелений відтінок океанів — підказка для астрономів: якщо далека екзопланета здається зеленою, можливо там є свої «ціанобактерії», які окислюють метали у воді. Наукова робота команди Мацуо опублікована в журналі Nature Ecology&Evolution.