Глобальное потепление вызвало широкомасштабную аноксию в океане 93 миллиона лет назад

Морская аноксия характеризуется тем, что океаны сильно обеднены растворенным кислородом, что делает их токсичными и, таким образом, оказывает разрушительное воздействие на населяющие их организмы. Одно из таких событий, известное как Oceanic Anoxic Event 2 (OAE2), произошло примерно 93,5 миллиона лет назад на границе сеномана и турона верхнего мела и длилось до 700 000 лет.

В таких сценариях органическое вещество хоронится с повышенной скоростью, образуя в геологической летописи характерные слои черного сланца, которые обеднены более тяжелым в изотопном отношении углеродом-13, что приводит к положительному отклонению изотопа углерода ~ 6 ‰.

Конкретные факторы, вызывающие OAE2, все еще обсуждаются, но наиболее широко поддерживается вулканизм в Большой вулканической провинции Карибского моря и Большой вулканической провинции Высокой Арктики, который увеличивает содержание углекислого газа в атмосфере и, следовательно, нагревает планету.

Среди множества последствий потепления планеты — усиленное выветривание суши, при котором речные процессы переносят этот материал в океаны, обеспечивая основные питательные вещества первичным производителям на поверхности океана. Повышенная первичная продуктивность производит больше кислорода, но трофические пищевые цепи в конечном итоге используют больше этого кислорода в своих метаболических процессах.

В сочетании со снижением растворимости кислорода в более теплых океанах это приводит к повсеместной деоксигенации морской среды Земли, чему посвящены новые исследования, опубликованные в журнале Climates of the Past.

Мохд Аль Фарид Абрахам из Университета Малайзии в Сабахе, Малайзия, и его коллеги обратились к глубоководным отложениям, пробуренным во время исследовательской экспедиции на возвышенность Демерара в экваториальной части северной части Атлантического океана, которая в сеноманском периоде располагалась на широте ~5° с.ш. 

Раскрывая важность работы, Абрахам сказал: «Наши исследования углубляются в тайны древних океанов, в частности, в период 93,5 миллиона лет назад, когда большая часть океана была лишена кислорода. Изучая естественные химические следы, сохранившиеся в морских отложениях, "Мы раскрываем, как вулканическая деятельность и потепление климата в прошлом привели к резкому снижению кислорода в океане. Понимание этого в глубоком прошлом имеет решающее значение, поскольку оно отражает проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня в условиях продолжающегося климатического кризиса, помогая нам прогнозировать и смягчать будущие последствия».

Взяв образцы органического вещества из пробуренных кернов, исследовательская группа выделила соединения биологического происхождения, стабильные в течение геологических периодов времени в миллионы лет, известные как биомаркеры. Доктор Абрахам объясняет, что биомаркеры известны как «молекулярные окаменелости», добавляя: «Биомаркеры — это химические соединения, обнаруженные в осадочных породах, которые произошли от живых организмов миллионы лет назад. Думайте о них как о молекулярных окаменелостях, которые, в отличие от костей или раковин, соединений, когда-то входившие в состав живых организмов, остались химически стабильными на протяжении огромных геологических временных масштабов.

«Мы тщательно извлекаем их, используя ряд химических процедур и метод, известный в лаборатории как газовая хроматография -масс-спектрометрия, чтобы изолировать эти соединения от пробуренных отложений и избежать загрязнения. Анализ этих биомаркеров помогает нам восстановить прошлые условия окружающей среды, такие как температура и уровень кислорода в океанах, но связь их присутствия с конкретными историческими условиями окружающей среды требует кропотливой лабораторной работы и глубокого понимания геохимических процессов», - добавили авторы исследования.

Ученые обнаружили, что процент общего содержания органического углерода в образцах увеличился за период исследования (3,8 миллиона лет), достигнув максимума примерно в 28 весовых % при OAE2 с начальных уровней 1–17 весовых %. Это произошло при повышении температуры поверхности моря на ~5-8°С до ~43°С.

Ключевые биомаркеры 28,30-диноргопана и ликопана указывают на это потепление и снижение содержания кислорода, образуя зону минимума кислорода в сеномане, аналогичную тем, которые наблюдаются в Черном море сегодня. Эти данные сочетаются с заметным сокращением численности бентосных фораминифер (придонных одноклеточных микроорганизмов океана) в позднем сеномане, поскольку они не смогли выжить в обедненной кислородом среде.

Такие устойчивые слои с низким содержанием кислорода увеличиваются в количестве и размерах по мере усиления потепления океанов, образуя толстую зону на глубине под высокопродуктивным тонким поверхностным слоем, богатым кислородом. Биомаркеры гопаноида тиофена и изорениератана C 35 показывают, что эта эвксиния водного столба (как бескислородная, так и сульфидная) расширилась и, наконец, достигла поверхностной фотической зоны через границу сеномана и турона в OAE2.

Движение водных масс, таких как море Тетис, вытесняющее теплые соленые придонные воды Демерары, вероятно, сыграло роль в распределении богатых питательными веществами, но бедных кислородом условий по океанскому бассейну. Предыдущие исследования показали, что до 50% океанов Земли ~93 миллиона лет назад были бескислородными во время OAE2, причем этот процесс потенциально начался примерно на 2 миллиона лет раньше во время Среднесеноманского события.

В конце концов, это океаническое бескислородное явление подошло к концу, прекращение которого Абрахам и его коллеги объясняют истощением запасов питательных веществ в поверхностных водах, что привело к падению первичной продуктивности. Кроме того, на прекращение могли повлиять изменения в палеогеографии Экваториально-Атлантических ворот. Эти ворота, возникшие между тем, что сейчас является северо-востоком Южной Америки и западной Африкой, изменили циркуляцию океана в Северной Атлантике, тем самым не позволив ей стать ловушкой для питательных веществ, которая могла бы поддерживать первичную продуктивность.

Заглядывая в будущее океанов Земли с расширением зон минимума кислорода, д-р Абрахам говорит: «В современном мире океанические условия, как правило, гипоксичны, но в открытых океанах еще не достигли бескислородного уровня. Однако закрытые бассейны или моря более опасны. склонен к аноксии.

В условиях продолжающегося глобального потепления прогнозируется, что зоны минимума кислорода будут расширяться как по горизонтали, так и по вертикали. Более теплая вода удерживает меньше кислорода, а повышение температуры поверхности может привести к более сильной стратификации слоев океана, тем самым уменьшая перемешивание, которое обычно пополняет кислород в более глубоких водах. 

Кроме того, глобальное потепление может усилить биологическую активность в поверхностных водах, что приведет к тому, что больше органического вещества опустится на глубину, где оно потребляет кислород при разложении, - процесс, очевидный во время OAE2.

Сегодня зоны минимума кислорода в основном встречаются в Тихом и Индийском океанах, где условия затрудняют жизнь многим морским видам. Учитывая нынешние тенденции глобального потепления, ожидается, что эти зоны будут расширяться, сокращая обитаемое морское пространство и отрицательно влияя на морское биоразнообразие и рыболовство.

«К концу этого столетия, если нынешняя траектория потепления и стока питательных веществ сохранится, мы можем увидеть значительное увеличение бескислородных и эвксинических условий в наших океанах, что поставит под угрозу морские экосистемы и услуги, которые они предоставляют человечеству», - считают ученые.

Понимание роли, которую более теплые океаны могут играть в круговороте кислорода и питательных веществ в толще воды, имеет решающее значение, особенно с учетом того, что океаны Земли вступают в неопределенное будущее из-за продолжающегося изменения климата. Древние эпизоды морской аноксии (такие как OAE2) рассказывают нам об истории Земли и напоминают нам, насколько важно заботиться о наших океанах. Поскольку мы сталкиваемся с новыми проблемами, связанными с климатом, оглядываясь назад на эти прошлые события, мы можем помочь нам принять более правильные решения для будущего нашей планеты.

«Удивительно и в то же время тревожно, как история отражается в нашем нынешнем экологическом кризисе», - заявляет Абрахам. «Древние океаны рассказывают историю устойчивости и возрождения, но также служат предупреждением. Событие OAE2, хотя и происходит на протяжении миллионов лет, показывает нам, какое глубокое влияние изменения в атмосфере могут оказать на морскую жизнь. Наши исследования направлены не только на понимание истории; это важнейшая часть головоломки в деле защиты будущего океанов нашей планеты».