Ученые выяснили, почему животный мир пережил стремительный эволюционный взрыв

Фото из открытых источников

Новый научный обзор предполагает, что древние суперконтиненты, горообразование и изменения магнитного поля Земли способствовали началу кембрийского взрыва. Результаты исследования были опубликованы в журнале Continent and Life Evolution.

Эволюция часто разворачивается на протяжении миллионов лет, однако многие из основных групп животных, живущих сегодня, впервые четко появились в палеонтологической летописи во время замечательного всплеска диверсификации около полумиллиарда лет назад.

Ученые называют это кембрийским взрывом. В новом исследовании группа геологов предполагает, что его причиной стали изменения в твердой Земле. Описанная ими цепь тянется от распада суперконтинента, через горные хребты длиной в тысячи километров, до магнитного поля, которое ослабло примерно до одной десятой от сегодняшней силы.

По мнению авторов, ни одно отдельное изменение не может объяснить всплеск активности, который, по их мнению, стал результатом нескольких геологических процессов, действующих совместно, и маловероятного совпадения.

Руководителем обзора был геолог Цзиньлун Яо из Северо-Западного университета в Сиане, Китай, вместе с шестью коллегами, среди которых был Гочунь Чжао, также работающий в Гонконгском университете. Команда опиралась на результаты многолетних опубликованных исследований, а не на новые измерения. Авторы признают, что большинство предполагаемых связей между глубинными слоями Земли и ранней жизнью пока остаются непроверенными идеями.

Родиния, суперконтинент, который начал распадаться примерно 850 миллионов лет назад, является первым звеном. В процессе раскола происходили мощные вулканические извержения, извергавшие потоки лавы и выделявшие углекислый газ.

Базальт, темная порода, в которую затвердела лава, затем претерпел обратную реакцию. Под воздействием дождя он разрушается быстрее, чем большинство других пород, и это разрушение вытягивает из воздуха углекислый газ.

Из-за уменьшения количества углекислого газа, удерживающего тепло, планета остыла, и большая её часть покрылась льдом — этот период известен как «Земля-снежный шар». Мороз нанес серьезный ущерб жизни. Лед заслонил солнечный свет, фотосинтез замедлился, и большая часть океана потеряла кислород.

Авторы приводят доказательства того, что организмы, состоящие из множества клеток, обладали преимуществом перед одноклеточными организмами в таких условиях.

Талая вода по краям льда могла также сохранять скопления богатой кислородом воды, где выживали сложные клетки. После таяния льда установился интенсивный парниковый климат.

Согласно теории исследователей, этот сдвиг открыл путь для первых крупных, сложных форм жизни: мягкотелых организмов эдиакарского периода, предшествовавшего кембрийскому.

Новый суперконтинент, Гондвана, образовался в результате серии столкновений континентов. Примерно от 670 до 440 миллионов лет назад эти столкновения привели к образованию горных хребтов. По оценкам, самый длинный из этих древних горных поясов простирался примерно на 9000 километров.

Большинство горных хребтов располагалось в низких и средних широтах, в теплых, влажных муссонных поясах, где горные породы быстро разрушаются. Дожди размывали горы, а реки переносили обломки в море вместе с питательными веществами, такими как фосфор.

В океане эти питательные вещества служили пищей для водорослей и бактерий, которые, в свою очередь, выделяли больше кислорода посредством фотосинтеза.

Быстрое накопление осадочных пород также приводило к захоронению мертвой органической материи до того, как она успевала разложиться и израсходовать кислород, в результате чего кислород накапливался в океанах и воздухе. Химический состав морской воды того времени соответствует этой картине.

Соотношение двух форм элемента стронция возрастает по мере того, как все больше континентальных пород вымывается в океан, и за этот период оно достигло своего наивысшего уровня в истории Земли.

В ходе моделирования, результаты которого цитируются в обзоре, было установлено, что увеличение количества наносов, попадающих в море, сопровождается расширением разнообразия морских животных.

Команда Яо также утверждает, что тектоника плит приняла свою современную форму в тот же период, когда дно океана и даже континентальная кора по всему миру глубоко погружались в мантию.

Один из признаков этого явления — минерал, образующийся только при экстремальном давлении, обнаруженный в кембрийских породах на западе Китая. Он указывает на то, что земная кора была втянута на глубину около 300 километров.

Геологи до сих пор спорят о сроках этого явления. Предлагаемые даты варьируются от более чем 2,5 миллиардов лет назад до кембрийского периода, отчасти потому, что геологи не пришли к единому мнению относительно определения современной тектоники плит.

Погружающиеся тектонические плиты уносили с собой карбонатные породы. Нагреваясь глубоко под землей, карбонаты выделяли углекислый газ, который выходил через цепи вулканов над плитами.

Вулканический углекислый газ не позволил Земле замерзнуть окончательно, а выветривание гор постоянно притягивало углекислый газ обратно на Землю. Такое сочетание действовало как термостат, и авторы утверждают, что оно обеспечивало животным длительный и стабильный период теплых, богатых кислородом морей.

Последний аргумент исходит из ядра Земли. На границе между эдиакарским и кембрийским периодами магнитное поле планеты упало до своего самого низкого известного значения, примерно до одной десятой от сегодняшнего.

На протяжении большей части истории Земли магнитное поле меняло направление примерно два-три раза за миллион лет. На этой границе оно меняло направление от 20 до 25 раз за миллион лет. В норме это поле отводит заряженные частицы от Солнца от Земли.

При такой интенсивности излучения его внешний край сместился бы на расстояние менее половины нынешнего, пропуская больше радиации и, возможно, истончая озоновый слой.

Авторы предполагают, что усиление ультрафиолетового излучения могло способствовать сокращению численности некоторых эдиакарских организмов, хотя доказательства этой связи остаются неопределенными.

Животные, способные рыть норы, отращивать раковины или уплывать, имели бы преимущество, и это давление, возможно, ускорило кембрийский взрыв. Некоторые исследователи не согласны с этой идеей.

Далее авторы предполагают, что слабое поле возникло в результате первоначального формирования твердого внутреннего ядра Земли, а ядро образовалось из-за охлаждения недр планеты в результате погружения тектонических плит. Обе эти связи пока не доказаны.

Аргумент зависит от времени. Авторы сравнили, когда события появляются в геологической летописи, и выстроили на их основе цепочку причинно-следственных связей, но не проверяли ни одно отдельное звено напрямую.

Команда Яо сама называет слабое место. У геологов нет длительных, точно зафиксированных данных о том, какая тектоническая и вулканическая активность происходила с течением времени. Без них события, происходящие в глубинах Земли, трудно сопоставить с изменениями на поверхности. Как эти процессы были взаимосвязаны и какие из них имели наибольшее значение для морской жизни, до сих пор остается неясным. 

На данный момент предложенные варианты остаются недоказанными. Но проведенный анализ открывает впечатляющую перспективу. Чрезвычайное разнообразие животного мира, возможно, зависело не только от изменений в океанах и атмосфере, но и от геологических сил, действующих глубоко под поверхностью Земли.