Колебания орбиты Земли оказывают влияние на биологическую эволюцию

Когда наш мир вращается вокруг Солнца, его текущая петля довольно круговая. Но орбита Земли не так стабильна, как вы думаете. Каждые 405 000 лет орбита нашей планеты растягивается и становится на 5 процентов эллиптической, а затем возвращается на более ровную траекторию.

Ученые давно поняли, что этот цикл, известный как орбитальный эксцентриситет, приводит к изменениям глобального климата, но как именно он влияет на жизнь на Земле, было неизвестно.

Теперь новые данные свидетельствуют о том, что колебания орбиты Земли могут оказывать влияние на биологическую эволюцию.

Группа ученых под руководством палеоокеанографа Люка Бофора из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) обнаружила признаки того, что орбитальный эксцентриситет способствует эволюционным всплескам новых видов, по крайней мере, в фотосинтезирующем планктоне (фитопланктоне).

Кокколитофоры - это микроскопические водоросли, питающиеся солнечным светом, которые создают пластины известняка вокруг своих мягких одноклеточных тел. Эти известняковые раковины, называемые кокколитами, чрезвычайно распространены в наших ископаемых - впервые они появились около 215 миллионов лет назад в верхнем триасе. 

Вы когда-нибудь задумывались, как образовались Белые скалы Дувра? Они сделаны из микрофоссилий! Одноклеточные кокколитофоры производят карбонат кальция кокколит, который окаменевает и образует мел!

Эти океанические дрейфующие организмы настолько многочисленны, что вносят огромный вклад в круговорот питательных веществ на Земле, поэтому силы, изменяющие их присутствие, могут оказать огромное влияние на системы нашей планеты.

Бофорт и его коллеги с помощью автоматизированной микроскопии с искусственным интеллектом измерили 9 миллионов кокколитов за 2,8 миллиона лет эволюции в Индийском и Тихом океанах. Используя хорошо датированные образцы океанических осадочных пород, они смогли получить невероятно подробное разрешение - около 2 000 лет.

Исследователи смогли использовать диапазоны размеров кокколитов для оценки количества видов, поскольку предыдущие генетические исследования подтвердили, что различные виды кокколитофоров семейства Noelaerhabdaceae можно различать по размерам клеток.

Они обнаружили, что средняя длина кокколита повторяет регулярный цикл, соответствующий 405 000-летнему циклу эксцентриситета орбиты. Наибольший средний размер кокколита появлялся с небольшой задержкой после наибольшего эксцентриситета. Это происходило независимо от того, находилась ли Земля в ледниковом или межледниковом состоянии.

"В современном океане наибольшее разнообразие фитопланктона наблюдается в тропическом поясе, что, вероятно, связано с высокими температурами и стабильными условиями, тогда как сезонный оборот видов наиболее высок в средних широтах из-за сильного сезонного температурного контраста", - объясняют Бофорт и его коллеги в своей работе.

Они обнаружили, что эта же закономерность отражается на всех крупных временных шкалах, которые они исследовали. Поскольку орбита Земли становится более эллиптической, сезоны вокруг ее экватора становятся более выраженными. Эти более разнообразные условия подстегнули кокколитофоры к диверсификации и появлению большего числа видов.

"Большее разнообразие экологических ниш при высокой сезонности приводит к увеличению числа видов, поскольку адаптация Noelaerhabdaceae характеризуется изменением размера кокколита и степени кальцификации для процветания в новых условиях".

Изменение размеров кокколитов в разные временные периоды: Миоцен (слева), Плейстоцен (справа). (Веймин Си)

Самая последняя эволюционная фаза, которую обнаружила команда, началась около 550 000 лет назад - радиационное событие, в ходе которого появились новые виды Gephyrocapsa. Бофорт и его коллеги подтвердили эту интерпретацию, используя генетические данные по ныне живущим видам.

Используя данные из обоих океанов, они также смогли провести различие между локальными и глобальными событиями.

Более того, рассчитав скорость накопления массы в образцах отложений, исследователи выяснили потенциальное влияние морфологически различных видов на углеродный цикл Земли, который они могут регулировать посредством фотосинтеза и производства известняковых (CaCO3) раковин.

"Легкие виды (например, E. huxleyi и G. caribbeanica) вносят наибольший вклад в экспорт карбоната кокколитов", - пишет команда, объясняя, что когда преобладают средние оппортунистические виды, меньше углерода откладывается в раковинах мертвых животных, погружающихся в глубину.

В свете этих выводов и других подтверждающих исследований Бофорт и его коллеги предполагают, что задержка между эксцентриситетом орбиты и изменениями климата может намекать на то, что "кокколитофоры могут управлять изменениями углеродного цикла, а не просто реагировать на них".

Другими словами, эти мельчайшие организмы, наряду с другим фитопланктоном, могут способствовать изменению климата Земли в ответ на эти орбитальные события. Но для подтверждения этого необходима дальнейшая работа.

Данное исследование было опубликовано в журнале Nature.