Почти 100 миллионов лет назад на Земле произошел экстремальный экологический сбой, который привел к исчезновению кислорода из океанов и повышению уровня вымирания морских организмов, затронувшего весь земной шар.

Теперь, в паре новых взаимодополняющих исследований, две группы геологов под руководством Северо-Западного университета сообщают новые результаты о хронологии и характере событий, которые привели к этому явлению, известному как Океаническое аноксическое событие 2 (ОАЕ2), которое было открыто более 40 лет назад покойным профессором Северо-Западного университета Сеймуром Шлангером.

Изучая сохранившиеся планктонные микрофоссилии и объемные отложения, извлеченные из трех мест по всему миру, команда собрала прямые доказательства того, что закисление океана произошло на самых ранних стадиях этого события из-за выбросов углекислого газа (CO2) в результате извержения массивных вулканических комплексов на морском дне.

В одном из новых исследований ученые также предлагают новую гипотезу, объясняющую, почему закисление океана привело к странному всплеску более низких температур (получившему название "Пленус-холодное событие"), который ненадолго прервал жаркий парниковый период.

Анализируя, как приток CO2 из вулканов повлиял на химию океана, биоминерализацию и климат, исследователи надеются лучше понять, как современная Земля реагирует на увеличение CO2 в результате деятельности человека, что потенциально может привести к решениям по адаптации и смягчению ожидаемых последствий.

В четверг (19 января) в журнале Nature Geoscience будет опубликована статья с результатами исследований глубоководных кернов, включая недавно пробуренный участок в районе юго-западной Австралии. Дополнительная статья с результатами исследований древних микрофоссилий с неправильной формой была опубликована 13 декабря в журнале Nature Communications Earth & Environment.

"Закисление океана и аноксия стали результатом массового выброса CO2 из вулканов", - сказал Брэд Сэйджеман из Северо-Западного университета, старший соавтор обоих исследований. "Эти крупные события в истории Земли, связанные с выбросом CO2, дают нам лучшие примеры того, как земная система реагирует на очень большие поступления CO2. Эта работа имеет фундаментальное значение для нашего понимания климатической системы и нашей способности предсказывать, что произойдет в будущем".

"Основываясь на изотопном анализе элемента кальция, мы предлагаем возможное объяснение Пленского холодного события, которое заключается в том, что замедление темпов биокальцификации из-за закисления океана позволило щелочи накопиться в морской воде", - сказал Эндрю Джейкобсон из Северо-Западного университета, старший соавтор обоих исследований. Увеличение щелочности привело к уменьшению содержания CO2 в атмосфере". Вполне возможно, что такое охлаждение является предсказуемым, но преходящим последствием потепления. Наши результаты по OAE2 представляют собой геологический аналог повышения щелочности океана, что является ведущей стратегией смягчения антропогенного климатического кризиса".

Эксперты по климату мелового периода и геохимии изотопов, Сейджмен и Джейкобсон являются профессорами наук о Земле и планетах в Вайнбергском колледже искусств и наук Северо-Западного университета. Оба исследования проводились под руководством их бывших аспирантов, Габриэллы Китч и Мэтью М. Джонса, которые инициировали эти исследования во время учебы в Северо-Западном университете.

По результатам более чем 40-летних исследований, ОАЕ2 является одним из самых значительных возмущений глобального углеродного цикла, произошедших на планете Земля. Исследователи выдвинули гипотезу, что во время ОАЕ2 уровень кислорода в океанах упал настолько низко, что скорость вымирания морских организмов значительно возросла. Чтобы лучше понять это событие и условия, предшествовавшие ему, исследователи изучили древние богатые органическим углеродом и ископаемые слои осадочных пород в широко распространенных местах обнажения, а также глубоководные керны, полученные в рамках Международной программы по исследованию океана (IODP).

Среди этих объектов были Губбио, Италия (известный район на материковой части Италии, который когда-то был глубоководным океаническим бассейном), Западный внутренний морской путь (древнее морское дно, простирающееся от Мексиканского залива до Северного Ледовитого океана в Северной Америке) и несколько глубоководных объектов, включая новый объект из восточной части Индийского океана, расположенный на юго-западе Австралии.

Глубоководные керны обеспечивают бесценную запись условий в тех частях палеоокеана, которые были совершенно неизвестны до развития программ океанического бурения. Во всех трех кернах исследователи сосредоточились на участках, относящихся к середине мелового периода, непосредственно перед границей туронского и сеноманского периодов, чтобы реконструировать условия, предшествовавшие OAE2.

"Сложность изучения закисления океана в геологическом прошлом заключается в том, что у нас нет древней морской воды", - сказал Джонс, который в настоящее время является постдокторантом Питера Бака в Смитсоновском институте. "Крайне редко можно найти что-то похожее на древнюю морскую воду, запертую в породе или минерале. Поэтому нам приходится искать косвенные доказательства, в частности, изменения в химическом составе ископаемых раковин и литифицированных отложений".
Деформированные окаменелости

Для исследования, опубликованного в журнале Communications Earth & Environment, Китч и ее соавторы сосредоточились на окаменевших фораминиферах - обитающих в океане одноклеточных организмах с внешней раковиной из карбоната кальция, которые были собраны в Губбио итальянским коллегой, профессором Родольфо Коччиони из Университета Урбино.

Китч и ее соавторов привлекли образцы из Губбио, поскольку оптические наблюдения и измерения Коччиони за их раковинами показали отклонения от нормы, включая последовательную картину "карликовости", или уменьшения общего размера, совпадающую с началом OAE2.

"Это оптические признаки стресса", - сказал Китч, который сейчас является научным сотрудником Кнаусса в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований. "Мы предположили, что стресс мог быть вызван закислением океана, которое повлияло на то, как организмы строили свои раковины".

Чтобы проверить эту гипотезу, Китч проанализировал изотопный состав кальция в окаменелостях. После растворения окаменевших раковин и анализа их состава с помощью масс-спектрометра с термической ионизацией северо-западная команда заметила, что соотношение изотопов кальция изменилось в образцах с неправильной формой, что соответствует стрессу от закисления.

"Это первая работа, в которой изотопные доказательства подкисления кальция сочетаются с биологическими показателями стресса", - сказал Сейджман. "Именно эти независимые биологические и геохимические наблюдения подтверждают наличие воздействия на биоминерализацию во время наступления OAE2".

Во втором исследовании, опубликованном в журнале Nature Geoscience, Джонс и его соавторы сосредоточились на глубоководных кернах литифицированных отложений с юго-западного шельфа Австралии, которые они с коллегами собрали во время экспедиции IODP в 2017 году. Для этой части головоломки исследователей меньше интересовало, что содержится в отложениях, а больше - чего в них заметно не хватает.

Керн содержит пачки известняка, богатого минералами карбоната кальция, но прямо перед OAE2 карбонат внезапно отсутствует.

"Для этого временного интервала мы обнаружили, что кальцит отсутствует", - сказал Джонс. Нет никаких карбонатных минералов". Этот участок керна заметно темнее; это сразу бросилось нам в глаза. Карбонат либо растворился на морском дне, либо меньшее количество организмов создавало раковины из карбоната кальция в поверхностных водах. Это прямое наблюдение события, связанного с закислением океана".

В ходе геохимического анализа, проведенного в сотрудничестве с профессором Дэйвом Селби из Даремского университета, Джонс заметил, что карбонат был не единственным компонентом, демонстрирующим значительные изменения. Одновременно с началом OAE2 также наблюдается заметный сдвиг в соотношении изотопов осмия, что свидетельствует о массивном поступлении осмия из мантии - отпечаток крупного события подводного вулканизма. Это наблюдение согласуется с работой многих других исследователей, которые нашли доказательства извержения крупной магматической провинции (LIP), предшествовавшей OAE2.

Эти события массивной вулканической активности происходят на протяжении всей истории Земли и все чаще признаются в качестве основных факторов глобальных изменений. Многие ПИП были подводными, в результате чего тонны CO2 попадали непосредственно в океаны. Когда CO2 растворяется в морской воде, он образует слабую кислоту, которая может препятствовать образованию карбоната кальция и даже растворять ранее существовавшие карбонатные раковины и отложения.

"Прямо в начале OAE2 соотношение изотопов осмия смещается к очень, очень низким значениям", - сказал Джонс. "Это может произойти только в результате извержения крупной магматической провинции. Это помогает нам установить причинно-следственную связь. Мы можем увидеть доказательства того, что вулканы были действительно активны, потому что значения осмия падают. И вдруг карбоната не стало".
Биологическая обратная связь

Хотя подкисление океана после LIP не вызывает удивления, северо-западная команда обнаружила нечто необычное. Кислотные условия во время OAE2 длились гораздо дольше, чем другие широко известные события закисления в древнем мире. Джонс предполагает, что недостаток кислорода в океанических водах мог продлить состояние закисления.

"Организмы, которые потребляли тонущий планктон и органические вещества в толще воды во время ОАЕ2, также потребляли CO2, что способствовало закислению океана, которое изначально было вызвано выбросом CO2 в результате вулканической активности LIP", - сказал Джонс. Таким образом, морская аноксия может быть "положительной обратной связью" для закисления океана. Это важно, потому что сегодня глобальный океан, помимо снижения уровня pH, теряет и содержание кислорода. Это говорит о том, что уменьшение содержания кислорода может продлить процесс закисления, и подчеркивает, что эти два явления тесно связаны".

В своем исследовании Китч обнаружила, что биология сыграла еще одну роль в этом событии. Глобальное потепление и подкисление океана не просто пассивно повлияли на фораминиферы. Организмы также активно реагировали на них, снижая скорость кальцификации при формировании своих раковин. Поскольку кальцификация замедлилась, фораминиферы потребляли меньше щелочи из морской воды, что помогало компенсировать растущую кислотность океана. Это также повысило способность океана поглощать CO2, что потенциально могло вызвать Пленус-холодное событие.

Мы называем эту фазу "тепличным периодом", потому что температура была очень, очень теплой", - говорит Китч. "Однако есть свидетельства относительного похолодания во время интервала OAE2. Никто не смог объяснить, почему произошло это похолодание. Наше исследование показывает, что, снижая производство карбонатов в океане, вы фактически увеличиваете щелочность, что дает океану буферную способность поглощать CO2. Океан внезапно обретает способность поглощать CO2 и уравновешивать потоки углерода".

Но только потому, что кратковременное похолодание прервало этот тепличный период, исследователи предупреждают, что естественная способность океанов буферизировать CO2 не является ответом на текущее изменение климата, вызванное человеком. Сейджмен объясняет этот сценарий, сравнивая изменение климата с раком.

"Это как если бы у пациента был рак, и рак исчез на месяц", - сказал Сейджман. Но потом он вернулся и убил пациента". Не обманывайтесь, думая, что океан охладит нас, и все будет хорошо. Он был прохладным в течение крошечного отрезка времени".

"Хотя Земля восстановилась и исцелилась, вымирания в морском царстве помогли добиться этого", - добавил Джейкобсон. "У Земли есть стабилизирующие обратные связи, но за них приходится платить".