Загадочные колебания кислорода вызвали необычайно сильное массовое вымирание

Примерно 443 миллиона лет назад на Земле случилось довольно странное, можно сказать, глубоко атипичное массовое вымирание. В первой его фазе вымерли 40% известных родов (очевидно, исчезнувших видов было еще больше), а во второй, спустя миллион лет, пропали еще 30% родов. Палеонтологи считают, что этому соответствовало вымирание 85% всех существовавших видов сложных организмов. Вымерло множество еще многочисленных трилобитов, похожих на современных угрей конодонтов (не дожили до наших дней), а также многие граптолиты — существа, дававшие ветвистые колонии, наподобие кораллов (но не родственные им). Впрочем, вымерли и многие виды существовавших уже тогда кораллов.

Долгое время ученые полагали, что старт вымиранию дало глобальное оледенение: Гондвана тогда была близко к Южному полюсу, на ней возникли ледники. Однако более тщательные датировки последних лет показали, что все было сложнее. Вымирание, по всей видимости, началось до оледенения — во всяком случае, для брахиопод (плеченогих щупальцевых) и граптолитов.

Авторы новой работы в Science Advances изучили изменения соотношения изотопов таллия в отложениях морского дна периода вымирания. Таллий связывается оксидами марганца, поэтому изменения в количестве этих оксидов в окружающей среде прямо отражаются и в концентрациях по таллию. Оказалось, начальная фаза ордовикско-силурийского вымирания совпала с резким обеднением морских вод кислородом. Именно в этот момент начинается быстрый упадок брахиопод и граптолитов.

Что неожиданно, сразу, буквально за сотни тысяч лет после этого, снижение концентрации кислорода сменяется ее резким увеличением. Это контринтуитивно, потому что обычно при вымирании резко снижается количество кислород-продуцирующих организмов. Они основа пищевых пирамид, поэтому уменьшение количества нефотосинтезирующих организмов практически всегда не уступает упадку фотосинтетиков. Раз так, типичное массовое вымирание не должно вести к серьезному росту концентраций кислорода. И для других вымираний это в целом так и есть.

К сожалению, пока не ясно, что могло вызвать резкое снижение концентрации кислорода в начале вымирания. В принципе, это возможно, если температуры воды резко (на много градусов) выросли за короткое время, но следов такого события геологи не видят. Еще это возможно при массовой гибели фотосинтезирующих организмов, но и ее следов в палеонтологической летописи нет. Однако это возможно, когда какие-то фотосинтезирующие виды еще не погибли, но количество особей в них резко упало.

Тем не менее ранее другие научные группы отмечали, что около 455 миллионов лет назад появляются первые споры сосудистых растений. Их еще называли «высшими», и — в силу наличия сосудистой системы, способной поднимать воду и питательные вещества от земли вверх — это первые растения, которые могли в существенной степени колонизировать сушу.

Такая колонизация должна была иметь два типа последствий. Во-первых, наземные растения активно связывали углекислый газ из атмосферы, тем самым создавая предпосылки для оледенения (при высокой концентрации СО2 в воздухе ледники на Земле существовать не могут). Во-вторых, даже самые примитивные наземные растения должны были изменить структуру поверхности суши, создав почвы современных типов. В этот момент минеральные вещества из грунта становятся намного более подверженными выносу в океан: растения неизбежно повышают способность воды проникать в грунт и вымывать из него ряд минералов.

Из современного опыта хорошо известно, что резкое увеличение количества ряда минералов в воде ведет к ее цветению. Например, цианобактерии при цветении воды могут так размножиться, что заблокируют свет водорослям на дне водоемов. Выделяемые ими токсины ведут к гибели морских организмов, разложение тех потребляет кислород, но водоросли на дне не могут его восполнить, поскольку им не хватает света. В подобных условиях дефицит кислорода может возникнуть еще до оледенения.

Вслед за оледенением, однако, высшие растения должны были неизбежно сократиться в численности. После такого события количество минералов, выносимых в океан с дождями, снова могло снизиться, ведя к возобновлению нормального по скорости фотосинтеза в нем.

Ранее мы подробно рассказывали, как колебания в концентрации кислорода сыграли большую роль в формировании сложной жизни на Земле и ее первом палеонтологически ясном массовом вымирании.