Океани можуть змінити колір: вчені пояснили механізм

Ми звикли до того, що вода в океанах нашої планети має синій колір. Через те, що три чверті поверхні Землі вкрито океанами, вона навіть з космосу має вигляд блакитної точки. Але чи було так завжди?

Відео дня

Як пише видання Live Science, нещодавно у журналі Nature японські дослідники опублікували роботу, яка переконливо доводить: океани Землі колись були зеленими. Ба більше, вони можуть знову змінити колір у майбутньому.

Причина, через яку океани Землі могли мати інакший вигляд в давньому минулому, пов'язана з їхньою хімією та еволюцією фотосинтезу. Визначити це допоміг аналіз відкладень гірських порід, відомих як смугаста залізиста формація. У них геологічна історія нашої планети відобразилась, як у літописі.

Смугасті залізисті формації відклалися в архейські та палеопротерозойські еони (періоди), приблизно між 3,8 та 1,8 мільярдами років тому. Життя на той час обмежувалося одноклітинними організмами, які мешкали в океанах. Континенти являли собою безплідний ландшафт із сірих, коричневих та чорних порід та осадів. Коли на такі континентальні породи випадав дощ, він розчиняв залізо, що містилось у них, і вода поступово змивала його в річки, які несли такі води до океанів. Іншими джерелами заліза були вулкани на дні океану. Це залізо стане важливим пізніше.

Архейський еон був часом, коли атмосфера та океан Землі були позбавлені газоподібного кисню. Але тоді також виникли перші організми, що виробляють енергію із сонячного світла. Ці організми використовували анаеробний фотосинтез, тобто вони могли здійснювати цей процес без присутності кисню.

Така еволюційна зміна потягнула за собою й інші перетворення. Оскільки побічним продуктом анаеробного фотосинтезу є газоподібний кисень. Він, своєю чергою, зв’зувався із залізом у морській воді. В атмосферу він почав потрапляти лише після того, як залізо морської води не могло більше нейтралізувати кисень.

Зрештою, ранній фотосинтез призвів до "великої окислювальної події", важливого екологічного поворотного моменту, який уможливив складне життя на Землі. Він ознаменував перехід від середовища, в основному позбавленого кисню, до середовища, в якому речовиною були насичені і атмосфера, і океани.

"Смуги" різних кольорів у смугастих залізистих формаціях фіксують це зрушення. У них залізо, вікладене без присутності кисню, чергується із червоними шарами окисленого заліза.

Чому океани були зеленими

Стаття, присвячена зеленим океанам в архейському еоні, починається зі спостереження: води навколо японського вулканічного острова Іводзіма мають зелений відтінок, пов'язаний із формою окисленого заліза - Fe(III). Синьо-зелені водорості процвітають у зелених водах, що оточують острів.

Незважаючи на свою назву, синьо-зелені водорості є примітивними бактеріями, а не справжніми водоростями. В архейському еоні предки сучасних синьо-зелених водоростей еволюціонували разом з іншими бактеріями, які використовували двовалентне залізо замість води як джерело електронів для фотосинтезу. Це свідчить про високий рівень заліза у океані.

В процесі фотосинтезу організми використовують пігменти (в основному хлорофіл) у своїх клітинах для перетворення CO₂ в цукри з використанням енергії сонця. При цьому хлорофіл надає рослинам зеленого кольору. А от синьо-зелені водорості тут не є звичайними, оскільки вони несуть загальний пігмент хлорофіл, а також другий пігмент, званий фікоеритробіліном (PEB).

У своїй статті дослідники виявили, що генетично модифіковані сучасні синьо-зелені водорості зі вмістом PEB краще зростають у зелених водах. Хоча хлорофіл відмінно підходить для фотосинтезу у спектрах видимого нами світла, PEB, мабуть, найкраще підходить для умов зеленого світла.

До появи фотосинтезу та кисню океани Землі містили розчинене відновлене залізо (залізо, що відклалося за відсутності кисню). Кисень, що вивільнявся при зростанні фотосинтезу в архейському еоні, потім призвів до окислення заліза в морській воді. Комп'ютерне моделювання у статті також показало, що кисень, що вивільнявся раннім фотосинтезом, привів до досить високої концентрації окислених частинок заліза. Його вистачало для того, щоби пофарбувати поверхневі води у зелений колір. Однак після того, як все залізо в океані було окислене, в океанах та атмосфері Землі з'явився вільний кисень (0₂).

Цікавий і головний висновок із цих даних полягає в тому, що екзопланети, які мають блідо-зелене світіння, можуть бути хорошими кандидатами на роль планет, де існують ранні форми фотосинтетичного життя.

Варто зазначити, що зміни хімічного складу земного океану були поступовими. Архейський період тривав 1,5 мільярда років. Це понад половина історії Землі. Для порівняння, вся історія виникнення та еволюції складного життя становить близько восьмої частини історії Землі.

Майже напевно, колір океанів поступово змінювався протягом цього періоду і потенційно коливався. Це може пояснити, чому синьо-зелені водорості розвинули обидві форми фотосинтетичних пігментів. Хлорофіл найкраще підходить для білого світла – найтиповішого сьогодні. А от можливість використовувати як біле, так і зелене світло, може бути еволюційною перевагою.

Чи можуть океани знову змінити колір

Урок з недавньої японської статті полягає в тому, що колір наших океанів пов'язаний із хімією води та впливом життя. Так фіолетовою вода в них могла би бути, якби на Землі був високий рівень вмісту сірки. Такі умови здатна забезпечити висока вулканічна активність разом із низьким вмістом кисню в атмосфері. Це призвело б до домінування пурпурних сіркобактерій.

Червоні океани також теоретично можливі за умов інтенсивного тропічного клімату, коли червоне окислене залізо утворюється з розпаду гірських порід суші і переноситься у океани річками чи вітрами. Або якби тип водоростей, пов'язаних із "червоними припливами", став домінувати на поверхні океанів. Такі червоні водорості зараз поширені в районах із високою концентрацією добрив, таких як азот. У сучасних океанах це зазвичай відбувається на береговій лінії поблизу каналізації.

Що ж до прогнозування майбутнього, то у міру того, яка наше сонце буде старіти, воно спочатку стане яскравішим, що призведе до збільшення випаровування з поверхні та інтенсивного ультрафіолетового випромінювання. Це може сприяти бурхливому розвитку пурпурних сіркобактерій, які зараз живуть у глибоких водах без кисню.

Такий розвиток подій призведе до появи більшої кількості фіолетових, коричневих або зелених відтінків у прибережних або стратифікованих районах. А от вод темно-синього кольору стане менше, оскільки скоротиться обсяг фітопланктону. Так чи інакше, закінчиться все тим, що земні океани випаруються, коли сонце розшириться достатньо, щоби охопити орбіту Землі.

Раніше OBOZ.UA розповідав, які 866 нових видів виявили вчені в океані.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.