Орбітальні цикли керували насиченням Землі киснем 500 млн років тому

Дослідницька група з Нанкінського інституту геології та палеонтології Китайської академії наук разом із колегами виявила, що довгострокові орбітальні зміни, які відбувалися протягом мільйонів років, могли слугувати своєрідним «кардіостимулятором» для стародавніх сплесків насичення Землі киснем. Результати дослідження нещодавно опубліковано у виданні Geophysical Research Letters.

Кембрійський вибух залишається однією з найважливіших віх в еволюційній історії Землі. Це період, коли майже всі сучасні типи тварин з'явилися надзвичайно швидко. Викопні та геохімічні дані свідчать, що диверсифікація ранніх кембрійських тварин відбувалася кількома еволюційними хвилями, які супроводжувалися синхронними коливаннями ізотопів неорганічного вуглецю та сірки сульфатів у морській воді.

Ці варіації науковці широко трактують як маркери періодичних подій насичення киснем атмосфери та мілководних океанів. Проте рушійна сила, що стояла за цими ритмічними кисневими сплесками, довгий час залишалася незрозумілою.

Щоб заповнити цю прогалину у знаннях, команда дослідників у 2019 році розпочала вивчення добре збережених ранньокембрійських карбонатних відкладів із південно-східної частини Сибірської платформи. Їхній аналіз показав, що приблизно між 524 та 514 мільйонами років тому, у ранньому кембрії, різноманітність морських тварин періодично коливалася кожні два-три мільйони років, що узгоджувалося зі зрушеннями в ізотопах вуглецю та сірки морської води.

Науковці запропонували гіпотезу, згідно з якою циклічні зміни у глобальному захороненні органічного вуглецю та піриту спричиняли періодичні коливання рівнів кисню в атмосфері та мілководних морських середовищах, що у свою чергу формувало еволюційну динаміку ранніх морських тварин.

Спираючись на цю роботу, останнє дослідження команди додатково припускає, що ці мільйонолітні екологічні коливання, ймовірно, запускалися довгоперіодними орбітальними варіаціями. Зміни в орбітальній конфігурації Землі змінювали розподіл сонячної радіації по широтах, що призводило до періодичних кліматичних зрушень.

Ці кліматичні зміни, як зазначає команда, ймовірно, регулювали інтенсивність континентального вивітрювання та потік ключових поживних речовин, таких як фосфор, в океани. Циклічне надходження цих поживних речовин посилювало морський фотосинтез та збільшувало захоронення органічного вуглецю, що зрештою призводило до періодичного зростання рівнів кисню в атмосфері та океанах.

Щоб перевірити цю гіпотезу, дослідники провели спектральний аналіз раніше опублікованих ранньокембрійських записів ізотопів вуглецю та сірки. Результати виявили довгоперіодні цикли тривалістю 1,2, 2,6 та 4,5 мільйона років, що відповідає частотам відомих довгострокових орбітальних циклів.

Інтегрувавши орбітально керований кліматичний вплив у модель земної системи SCION вперше, дослідники успішно відтворили спостережувані синхронні періодичні варіації ізотопів вуглецю та сірки у морській воді. Цей результат підтверджує правдоподібність механізму насичення киснем, керованого орбітальними змінами.

Крім того, експерименти з чутливістю моделі показали, що низька концентрація сульфатів в океанах раннього кембрію робила земну систему незвичайно нестабільною, посилюючи реакцію пов'язаних біогеохімічних циклів вуглецю, сірки та кисню на орбітально модульоване надходження поживних речовин.

Це відкриття пропонує нові погляди на хронологію кембрійського вибуху та забезпечує ширшу основу для розуміння довгострокових циклів вуглецю, сірки та кисню в інших геологічних епохах. Дослідники підкреслюють, що їхня робота демонструє, як астрономічні фактори могли впливати на найфундаментальніші процеси на Землі, включаючи еволюцію життя.

Результати дослідження мають важливе значення для розуміння того, як зовнішні космічні фактори взаємодіяли з внутрішніми процесами Землі, створюючи умови для одного з найдраматичніших періодів еволюції життя на нашій планеті. Вони також показують, що навіть тонкі зміни в орбітальних параметрах можуть мати глибокі наслідки для біосфери, особливо в періоди, коли земна система перебуває у нестабільному стані.