Океаны не всегда были синими. В начале истории Земли, когда фотосинтетическая жизнь только зарождалась, океаны изначально казались зелеными, а затем постепенно становились синими, поскольку микроорганизмы, вырабатывающие синие пигменты, размножались в поверхностных водах. Сегодня синий цвет океанов вызван поглощением водой красного конца видимого светового спектра.
Океаны Земли покрывают около 70% поверхности планеты и содержат 97% водных ресурсов планеты. За всю зафиксированную историю человечества океаны казались синими, если смотреть из космоса или с точек наблюдения над поверхностью. Но всегда ли так было? Были ли океаны синими с самого начала истории Земли? Или они меняли цвет в течение различных геологических эпох по мере развития жизни и условий на Земле?
Чтобы понять цветовую историю океанов, нам нужно рассмотреть:
– Оптические свойства воды
– Эволюцию фотосинтетической жизни
– Повышение уровня кислорода
Давайте рассмотрим, что мы знаем о каждом из этих факторов и как они могли повлиять на цвет океанов Земли с течением времени.
Ярко-синий цвет, который мы ассоциируем с Землей, когда смотрим из космоса, исходит от океанов. Но почему океаны изначально синие?
Морская вода по сути бесцветна. Синий цвет возникает в результате взаимодействия света с молекулами воды. Вот краткий обзор того, почему наши океаны сегодня кажутся синими:
| – Видимый свет от солнца состоит из спектра цветов от коротких фиолетовых длин волн до более длинных красных длин волн. |
| – Когда свет попадает в воду, молекулы воды рассеиваются и поглощают больше длинных красных длин волн. |
| – Более короткие синие длины волн пропускаются и рассеиваются в большей степени, создавая синий вид. |
Таким образом, по сути, когда солнечный свет проникает в океан, большая часть красного конца спектра отфильтровывается, оставляя в основном более короткий синий свет, который отражается обратно.
Это известно как селективное поглощение. Вещества поглощают свет выборочно на основе длины волны. Особый спектр поглощения воды придает ей присущий ей голубоватый оттенок.
Хотя сама вода поглощает свет, придавая ей присущий ей синий цвет, океаны не всегда казались синими. В начале долгой истории Земли океаны выглядели совсем иначе.
Когда Земля впервые образовалась более 4,5 миллиардов лет назад, ее поверхность была расплавленной и негостеприимной. Но по мере остывания планеты водяной пар начал конденсироваться, образуя первые океаны.
Ранняя океанская вода содержала растворенные минералы и вулканические газы, но еще не содержала никаких форм жизни. Первые примитивные океаны, вероятно, были мутными, мрачными и серо-зеленого цвета из-за выщелоченных минералов горных пород.
Зеленоватые океаны сохранялись, когда появилась первая фотосинтетическая жизнь. Самыми ранними фотосинтетическими организмами, вероятно, были аноксигенные бактерии, которые не производили кислород в качестве побочного продукта. Вместо этого они использовали доноров электронов, таких как сероводород, для питания фиксации углерода. К этим ранним фотосинтезаторам относились зеленые и фиолетовые серные бактерии, которые придавали древним океанам тускло-зеленоватый оттенок.
Появление оксигенного фотосинтеза кардинально изменило океаны и атмосферу. Около 3 миллиардов лет назад предки современных цианобактерий развили способность использовать воду в качестве донора электронов для фотосинтеза и производить кислород в качестве побочного продукта.
Хотя ранние цианобактерии производили некоторое количество кислорода, большая часть этого реактивного газа сначала поглощалась растворенным железом в океанах. Но по мере того, как цианобактерии распространялись по поверхности океанов, они производили газообразный кислород с возрастающей скоростью.
Это ознаменовало начало Великого окислительного события около 2,4 миллиарда лет назад. В результате ВОК в атмосфере накапливался кислород, что вызывало окисление минералов. Увеличение содержания кислорода в океане привело к исчезновению зеленых серных бактерий, в то время как цианобактерии продолжали размножаться и выделять больше O2.
В течение этого переходного периода океаны, вероятно, перешли от мутно-зеленых морей к более яркому циано-синему цвету из-за обилия цианобактерий и повышения уровня кислорода.
Цианобактерии были не единственным новым новшеством фитопланктона в это время. Около 3 миллиардов лет назад в ранних океанах также появилась и разнообразилась другая группа фитопланктона, называемая хлорофитами (зелеными водорослями).
В отличие от цианобактерий, хлоропласты зеленых водорослей не вырабатывают фикобилины, вспомогательные пигменты, которые придают цианобактериям их сине-зеленый цвет. Вместо этого зеленые водоросли содержат хлоропласты с обильным количеством зеленых пигментов хлорофилла.
Но 2 миллиарда лет назад появилась новая крупная группа фитопланктона: красные водоросли. Красные водоросли были способны процветать в океанах, все более насыщенных кислородом. Они обладали голубоватыми фикобилипротеиновыми вспомогательными пигментами, похожими на цианобактерии, которые поглощали оранжевый и зеленый свет.
Размножение как красных водорослей, так и цианобактерий, которые отражали синий свет, помогло придать океанам более характерный синий цвет на этом этапе.
Несколько основных событий совпали около 600 миллионов лет назад, чтобы создать синий фон океана, с которым мы знакомы сегодня:
| – Увеличение содержания кислорода в океане способствовало излучению сложной многоклеточной жизни. |
| – Широко распространенные цианобактерии и красные водоросли (с синими пигментами) доминировали в поверхностных водах. |
| – Появились и разнообразились диатомовые водоросли, также содержащие синие пигменты. |
К цианобактериям и красным водорослям присоединилось обширное цветение диатомовых водорослей. водоросли, которые уже процветают на хорошо освещенных поверхностных океанах. Диатомовые водоросли — это одноклеточные фотосинтетические водоросли, отличающиеся сложными стенками клеток из кремния. Они содержат синий пигмент фукоксантин вместе с хлорофиллами, что делает их золотисто-коричневыми.
Размножение диатомовых водорослей и обилие сине-пигментированных фототрофов помогли установить яркий синий цвет, который теперь характеризует океаны Земли. Этот синий цвет сохранялся в течение последних полумиллиарда лет, захватывая воображение людей на протяжении всей истории.
Таким образом, хотя ранние океаны, возможно, сначала казались зеленоватыми, подъем кислородного фотосинтеза, за которым последовали организмы, содержащие синие пигменты, превратил их в знакомые нам сегодня синие моря.
Вкратце:
– Ранние океаны, вероятно, были мутными и зеленоватыми из-за выщелоченных минералов.
– Зеленые фотосинтетические бактерии придали примитивным океанам тускло-зеленый оттенок.
– Цианобактерии, вырабатывающие кислород, окрасили океаны в голубовато-синий цвет около 2,4 миллиарда лет назад.
– Красные водоросли и хлорофиты диверсифицировались, добавив больше синих пигментов.
– Эволюция диатомовых водорослей совпала с доминированием красных/цианобактерий, что привело к образованию глубоких синих океанов 600 миллионов лет назад.
Так что океаны изначально не были синими. Сочетание избирательного поглощения света молекулами воды и размножение древних морских фототрофов, содержащих синие пигменты фикобилина, изменило цвет океанов с зеленого на темно-синий за миллиарды лет. Синие океаны, которыми мы наслаждаемся сегодня, — это относительно недавнее развитие в долгой 4,5 миллиарда лет истории Земли.
| Таблица 1 | Почему океаны сегодня синие — свойства поглощения света |
|---|---|
| Таблица 2 | Ключевые события около 600 миллионов лет назад |
– Кэмпбелл, Нил А. и Джейн Б. Рис. Биология. Pearson, 2008.
– Holland, Heinrich D. «Оксигенация атмосферы и океанов». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, т. 361, № 1470, 2006, стр. 903–915., doi:10.1098/rstb.2006.1838.
– Schopf, J. William. «Ископаемая летопись цианобактерий». Cyanobacteria. Springer, Cham, 2019. 15–31.
– S?n?chal, Marjolaine et al. «Диатомовые водоросли: точка зрения биолога на сбор света и фотозащиту диатомовыми водорослями». Life, т. 10, № 4, 2020, стр. 39., https://doi.org/10.3390/life10040039.
– Янг, Джереми Р. «Зеленые водоросли в море». Журнал Phycology, т. 54, № 2, 2018, стр. 229-240, https://doi.org/10.1111/jpy.12761.