Моделирование системы Земли показывает, что протерозойский океан был зеленее, но менее продуктивен

Когда древний океан сиял зелёным

Представьте себе вид из космоса на Землю более миллиарда лет назад: океаны не были глубокими синими, а имели яркий зелёный оттенок. В этом исследовании используется современная климатическая и океаническая модель, чтобы ответить на на первый взгляд простой вопрос: если в ранних морях было много микроскопической растительной жизни, но почти не было животных, кто бы поедал эти организмы, как это повлияло бы на цвет и жизнеспособность океанов планеты? Ответ меняет представление о прошлом Земли и условиях, подготовивших почву для появления животных.

Мир до появления животных в океане

Временной отрезок, рассматриваемый здесь, — Протерозойская эра, охватывающая примерно от 2,5 миллиарда до 540 миллионов лет назад. В эту эпоху в морях доминировали крошечные фотосинтезирующие организмы — родственники современных цианобактерий и мелких водорослей — тогда как животоподобные травоядные, такие как зоопланктон, ещё не появились. Геологические свидетельства указывают на то, что продуктивность океана — скорость превращения света и питательных веществ в органическую материю этими микробами — была ниже, чем сегодня, но всё же была далеко не нулевой. Тем не менее оценки объёмов производимой биомассы и её распределения в водном столбе оставались сильно неопределёнными. Авторы заполняют этот пробел при помощи полной модели системы Земли, которая связывает атмосферу, океанские течения, морской лёд и морскую химию, а затем настраивают её с учётом древних континентов, слабее света Солнца и низкого уровня кислорода.

Зелёнее у поверхности

В их виртуальном протерозойском мире исследователи исключают диатомовые и зоопланктонные группы — те, кто ещё не эволюционировал — и оставляют для роста только мелкий фитопланктон и азотфиксирующие микробы. При наборе реалистичных условий по питательным веществам модель стабильно даёт гораздо больше растительной биомассы у поверхности по сравнению с современным океаном. В среднем по планете хлорофилл в верхних 150 метрах оказывается примерно в 1,5–2,5 раза выше, а в самых верхних слоях он может превышать современные значения на порядок во многих низкоширотных районах. Поскольку хищников, сдерживающих эти цветения, нет, верхний океан заполняется микроскопическими растениями, и в моделях моря становятся глубокого, постоянного зелёного цвета почти везде, где не образуется лёд и достаточно тепло.

Почему больше растений может означать меньше роста

Парадоксально, но эта пышная зелёная поверхность не превращается в более продуктивный океан в целом. Модель показывает, что суммарная глобальная первичная продукция в протерозойском океане составляла лишь около 60 процентов от современных значений в тёплые периоды и примерно 30 процентов во время более холодных, ледовых состояний. Ключевая причина — свет. Когда столько хлорофилла накапливается у поверхности, он действует как солнцезащитный экран, поглощая свет до того, как он достигнет более глубоких слоёв, где могла бы идти фотосинтез. Эуфотическая, или светлая, толща сокращается с примерно 80 метров в среднем сегодня до всего 30–40 метров в смоделированном протерозойском океане. Это «самозатенение» означает, что хотя поверхностные воды кишат жизнью, тёмные глубины вносят значительно меньший вклад в глобальную продуктивность. Низкие уровни нитратов в условиях низкооксигеновой атмосферы и отсутствие эффективных диатомовых производителей дополнительно ограничивают общий выход органического вещества.

Подсказки от современных цветений и тесты модели

Современные аналоги подтверждают эту картину. Сегодня, в сильно удобренных прибрежных зонах и озёрах иногда наблюдаются интенсивные цветения водорослей, которые делают воду зелёной и фактически уменьшают рост растений в глубине, именно потому что свет поглощается в верхних метрах. Эксперименты, где из пищевых сетей удаляют хищников, показывают, что фитопланктон может бурно размножаться, снова приводя к затенению более глубоких сообществ. Авторы также проверили устойчивость своих симуляций, варьируя ключевые факторы, такие как вертикальное перемешивание, интенсивность солнечного света и запасы питательных веществ — азота, фосфора и железа. В широком и геологически правдоподобном диапазоне сохранялся тот же паттерн: при отсутствии сильных травоядных поверхность древнего океана становилась зеленее, тогда как суммарная продуктивность, как правило, оставалась ниже или, в лучшем случае, сопоставимой с сегодняшней — за исключением случаев с крайне высоким или крайне низким содержанием фосфора.

Что это значит для появления животных

Для неспециалиста главный вывод таков: океаны ранней Земли могли выглядеть более яркими сверху, одновременно работая по более скромному энергетическому бюджету в целом. Толстый слой микроскопических растений заполнял освещённую «кожу» моря, ограничивая глубину, на которой мог протекать фотосинтез. В сочетании с низкими запасами питательных веществ и отсутствием современных высокоэффективных производителей, таких как диатомеи, это удерживало глобальную продуктивность ниже современного уровня. Тем не менее процветающие приповерхностные сообщества фитопланктона, которые предполагают симуляции, согласуются с ископаемыми указаниями на существенное присутствие жизни в протерозойских морях. Эти зелёные, но относительно слабо энергообеспеченные океаны, вероятно, создали экологический фон, на котором кислород постепенно нарастал и в конечном счёте возникла животная жизнь.

Цитирование: Liu, P., Liu, Y., Dong, L. et al. Earth system simulations suggest that the Proterozoic ocean was greener but less productive. Nat Commun 17, 2854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69654-z

Ключевые слова: Протерозойский океан, фитопланктон, первичная продуктивность, самозатенение, моделирование системы Земли