Ученые уточнили, когда кислород впервые появился в земной атмосфере

На сегодняшний день 21% воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного кислорода. Но этот газ не всегда был в таком количестве, не всегда мог поддерживать жизнь — более того, практически отсутствовал в атмосфере в первые 2 миллиарда лет истории Земли. Когда же кислород впервые начал собираться на Земле? Ученые Массачусетского технологического института нашли ответ. В работе, опубликованной на днях в Science Advances, группа ученых сообщила о том, что атмосфера Земли испытала первый ощутимый и необратимый впрыск кислорода примерно 2,33 миллиарда лет назад. Этот период ознаменовал начало Великой оксигенации — события, после которого кислород начал свое победоносное наступление на Землю.

Ученые также определили, что этот первоначальный рост атмосферного кислорода, хоть и небольшой, произошел всего за 1-10 миллионов лет и вызвал череду событий, которые впоследствии привели к распространению многоклеточной жизни.

«Это начало очень длинного периода, который вылился в сложную жизнь, — говорит Роджер Саммонс, старший автор работы и профессор отделения земных, атмосферных и планетарных наук в MIT. — Потребовалось примерно 1,7 миллиарда лет, чтобы развились животные, подобные тем, что у нас есть сегодня. Но присутствие молекулярного кислорода в океане и атмосфере означает, что организмы, которые дышат кислородом, могли процветать».

В воздухе запахло кислородом

В общем и целом ученые соглашаются в том, что кислород, несмотря на нехватку в атмосфере, скорее всего, варился в океане как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий уже 3 миллиарда лет назад. Но как отмечает Саммонс, кислород в древнем океане «мгновенно всасывался» голодными микробами, двухвалентным железом и другими желающими, не давая ему убегать в атмосферу.

«В воздухе могли быть утечки кислорода и раньше, но их продолжительность и содержание в настоящее время измерить невозможно», говорит Саммонс.

Все изменилось с периодом Великой оксигенации, который положил начало постоянному присутствию кислорода в атмосфере. Предыдущие оценки помещали начало ВО на уровне около 2,3 миллиарда лет назад с неопределенностью от десятков или сотен миллионов лет.

«Датировка этого события оставалась довольно неточной до сих пор», говорит Саммонс.

Вынужденный переход

Чтобы точно определить время протекания ВО, коллеги Саммонса сначала проанализировали породы того периода в поисках конкретного рисунка изотопа серы. Когда вулканы извергаются, они выбрасывают серные газы, которые могут химически и изотопно разделяться под воздействием ультрафиолетового излучения. Структура изотопов, образующихся в этом процессе, зависит от того, присутствовал ли кислород выше определенного порога или же нет.

Ученые пытались выделить крупный переход в определенной картине изотопа серия — масс-независимую фракцию изотопов серы (S-MIF), дабы определить, когда кислород впервые появился в атмосфере Земли. Для этого они изучали осадочный керн, собранный в ходе экспедиции ученых в Южную Африку.

«Женьмин Луо — очень старательный парень, — говорит Саммонс о другом ученом, принимавшем участие в написании этой работы. — Он обнаружил следы S-MIF в глубоких породах, отсутствие этих следов в неглубоких породах, но между ними — ничего. Поэтому он вернулся обратно в Южную Африку».

Там он взял образцы из остальной части осадочного керна и у двух поблизости и выяснил, что переход S-MIF — означающий перманентное преодоление кислородом вышеупомянутого порога — произошел 2,33 миллиарда лет назад, плюс-минус 7 миллионов лет. Неопределенность гораздо ниже, если сравнивать с предыдущими оценками.

Также ученые обнаружили большое фракционирование изотопов серы-34, что указывает на повышение уровня морских сульфатов в это же время. Такой сульфат должен был появиться вследствие реакции между атмосферным кислородом с сульфидными минералами на суше, а также с диоксидом серы из вулканов. Затем этот сульфат использовался обитателями океана, сульфат-дышащими бактериями, с производством определенной картины серы-34 в нижележащих слоях осадочных пород, которые были датированы между 1 и 10 миллионами лет после перехода S-MIF.

Эти результаты свидетельствуют о том, что первоначальное накопление кислорода в атмосфере было относительно быстрым. С момента своего первого появления 2,33 миллиарда лет назад, кислород накапливался в достаточно высоких концентрациях, чтобы оказывать выветривающий эффект на породы уже через 10 миллионов лет. Этот процесс выветривания выщелачивал больше сульфата и некоторых металлов в воду и, следовательно, в океаны. Саммонс указывает на то, что прошло некоторое время, прежде чем земная система достигла стабильного состояния путем захоронения органического углерода и превысила порог кислорода, необходимого для дальнейшего стимулирования биологической эволюции.

«Сложная жизнь не могла утвердиться на планете, пока кислород оставался уделом океанских глубин, — говорит Саммонс. — И потребовалось много, много времени. Но это первый шаг в целой серии процессов».

Теперь, когда ученые ограничили сроки протекания ВО, Саммонс надеется обнаружить и другие подсказки, которые приведут к причине или механизму этого события. Одна из гипотез, которую хотят изучить ученые, это связь между внезапным и быстрым появлением кислорода и «Землей-снежком», периодом, когда континенты и океаны Земли были в основном покрыты льдом.

Кроме того, нужно понять, почему эти наши 21% кислорода в атмосфере остаются такими стабильными достаточно долгое время.