Чем было обусловлено появление кислорода в атмосфере земли в процессе ее развития
ПРОИСХОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО КИСЛОРОДА
А. ЛЕТНИКОВ, Н. СИЗЫХ.
Как считается, кислородный тип атмосферы Земли возник главным образом в результате деятельности растений. В воде биологические процессы начались около 3,8 млрд лет назад. Через 1 млрд лет содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного, и лишь 1,4 млрд лет назад, когда в земной коре стали образовываться красноцветные толщи гранита, оно превысило эту величину. Около 550 млн лет назад (в кембрийский период) в воде появились многоклеточные организмы с наружным скелетом и роющие животные, а содержание кислорода в атмосфере подошло к 10% от современного, не превышая 2,1% ее состава.
Рубеж около 400 млн лет назад связан со стремительным ростом содержания атмосферного кислорода. Это привело к появлению первых наземных растений, которые сами начали выделять кислород. Однако за 150 млн лет до этого события количество кислорода в атмосфере каким-то образом увеличилось в 10 раз, и она более чем на 1/5 стала кислородной.
Согласно новой гипотезе, выдвинутой в Институте земной коры СО РАН, были другие источники кислорода, связанные с процессами образования гранитов в древней земной коре, которые бурно сопровождались образованием воды, углекислого и угарного газов, выходом кислорода в атмосферу или частичным растворением его в воде. На рубеже архея и протерозоя (2,8-2,5 млрд лет назад) в атмосфере стали преобладать окислительные процессы, земная кора по своему составу становилась более кислой, начался стремительный рост гранитов. Тогда и произошло первое значимое пополнение атмосферы кислородом. Более поздние геологические процессы постепенно добавляли кислород в атмосферу. Наконец, в последнюю эпоху образования гранитов, 400 млн лет назад, его содержание приблизилось к современному уровню. На основании этих выводов ученые предположили, что кислородные атмосферы могут возникать лишь на планетах, подобных Земле, где неоднократно проходило образование гранитов.
А. ЛЕТНИКОВ, Н. СИЗЫХ. Роль процессов гранитизации в формировании кислородной атмосферы Земли. «Доклады Академии наук» том 386, № 4, 2002, стр. 538-540.
Ученые выяснили, как появились первые запасы кислорода на Земле
МОСКВА, 18 сен – РИА Новости. Доля кислорода в атмосфере Земли оставалась крайне низкой после появления первых фотосинтезирующих микробов по той причине, что породы древних континентов активно поглощали его молекулы, не давая им накопиться в океане и воздухе, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience.
«Насыщение атмосферы Земли кислородом могло произойти в любой момент. Все, что для этого было нужно – «правильный» химический состав континентов. Мы обнаружили, что химический состав континентов разительно поменялся как раз в то время, когда кислород начал скапливаться в водах первичного океана планеты», — рассказывает Матийс Смит (Matthijs Smit) из университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада).
Как сегодня считают ученые, Земля в далеком прошлом мало в чем напоминала себя сегодня – в ее атмосфере отсутствовал кислород и было много углекислоты и метана. Ее воды, напоминавшие по температуре и консистенции кипящий густой суп, населяли причудливые бактерии-экстремофилы, следы которых в виде отложений своеобразных «одеял» из колоний микробов, ученые часто находят в древнейших породах Земли.
Когда точно зародилась жизнь, пока никому не известно – существуют противоречивые свидетельства того, что она существовала уже 3,3-3,7 миллиарда лет назад или даже 4 миллиарда лет назад, фактически сразу после завершения формирования Земли и Луны и окончания их «бомбардировки» крупными астероидами и кометами, принесшими «кирпичики жизни» на Землю.
Эта жизнь, как рассказывает Смит, просуществовала до события, которое геологи называют «великой кислородной катастрофой». Примерно 2,4-2,32 миллиарда лет назад концентрация кислорода в атмосфере резко выросла, повысившись с 0,0001% до современных 21%. Причиной ее возникновения сегодня считаются первые фотосинтезирующие организмы, цианобактерии, очистившие атмосферу от СО2 и заполнившие ее кислородом.
С другой стороны, как отмечают ученые, остается непонятным то, что именно сдерживало рост концентрации кислорода в воде и в атмосфере Земли в те сотни миллионов лет, когда цианобактерии уже существовали в первичном океане планеты.
Некоторые ученые предполагают, что «лишний» кислород поглощался первичными континентальными породами Земли, сформировавшимися в то время, когда кислорода в ее атмосфере фактически не было, а другие считают, что роль «поглотителя» кислорода на себя брали останки живых организмов, которые скапливались на дне океанов Земли сотни миллионов лет.
Смит и его коллега Клаус Мезгер (Klaus Mezger) из Бернского университета (Швейцария) нашли новые доказательства в пользу первой гипотезы, проанализировав химический состав десятков тысяч образцов коры, сформировавшихся задолго до начала «кислородной катастрофы» и в то время, когда доля кислорода в атмосфере росла максимальными темпами.
Для этого анализа ученые применили остроумную методику – они измерили доли хрома и урана в этих породах, по-разному реагирующих на процесс разрушения горных пород кислородом и водой. Соответственно, чем больше эти различия, тем дольше и сильнее стихии действовали на эти породы, что позволяет понять, какую роль континенты Земли играли в появлении ее запасов кислорода.
Как показали эти замеры, доли хрома и кислорода в континентальных породах начали меняться примерно три миллиарда лет назад, что совпадает по времени с появлением первых фотосинтезирующих организмов. Примерно за 300 миллионов лет до «кислородной катастрофы» их пропорция резко меняется, что указывает на столь же резкую смену одного типа пород на другой, почти не поглощавший кислород. Именно это, как считают ученые, и было причиной начала «кислородной катастрофы», резко изменившей облик Земли и ее первых обитателей и сделавшей ее пригодной для существования человека и других современных живых существ.
Почему на Земле произошла кислородная катастрофа и как на нее повлияла Луна
Большое количество кислорода в атмосфере нашей планеты возникло не сразу. До его появления, в океанах жили организмы, которым не нужен был кислород. Микробы умели синтезировать органические молекулы, задействуя для этого энергию солнца. Проще говоря, они были способны к фотосинтезу, но кислород при этом не выделялся. Ситуация изменилась 3,5 млрд лет назад, когда возникли цианобактерии, способные к кислородному фотосинтезу. Правда в достаточном количестве необходимый для нашей жизни газ появился на планете не сразу, а примерно через один миллиард лет. В результате бактерии, привыкшие к безкислородной среде, вымерли или отправились в глубины океанов, а их место заняли новые организмы. Но почему на появление кислорода потребовался миллиард лет? Ученые утверждают, что Земле понадобилось бы еще больше времени, если бы не одно событие, которое помогло цианобактериям изменить атмосферу и радикально повлиять на жизнь на планете.
На Земле 3,5 млрд лет назад, когда сутки длились 6 часов, в атмосфере отсутствовал кислород
Кислород в атмосфере земли — что ускорило его появление?
Уровень кислорода на Земле повышался не равномерно, а ступенчато, то есть в какие-то моменты скорость насыщения им атмосферы увеличивалась. Отсюда и возникло предположение, что этому процессу что-то поспособствовало.
Группа ученых, которую возглавил Джудит Клатт из Института морской микробиологии Макса Планка, выдвинула интересное объяснение произошедшему на планете несколько миллиардов лет назад. По мнению ученых микроорганизмы смогли выделять больше кислорода в атмосферу в результате увеличения продолжительности светового дня. В те далекие времена Земля вращалась значительно быстрее, чем сейчас. Поэтому продолжительность суток была короче — около 6 часов. Соответственно световой день длился всего несколько часов.
Отсюда возникает вопрос, какая разница выделяющим кислород бактериям — длинный день на Земле и длинная ночи или короткий день и короткая ночь? Ведь количество поступающего солнечного света на землю не изменилось. Но, как выяснилось, разница все же есть.
Насыщение атмосферы кислородом ускорилось благодаря замедлению скорости вращения земли
Как продолжительность суток повлияла на кислород в атмосфере
Джудит Клатт с группой исследователей из Мичиганского университета изучали воду в воронке на Мидл-Айленде (острове на озере Гурон). В нее со дна просачиваются грунтовые воды, при этом уровень содержания кислорода крайне низкий. Другими словами, условия напоминают те, которые были на нашей планете в течение миллиардов лет до появления в атмосфере кислорода.
В воде живут в основном два вида микробов — пурпурные цианобактерии, которые производят кислород, а также белые сероокисляющие бактерии. Первые генерируют энергию с помощью солнечного света, вторые — с помощью серы. Чтобы выжить, эти бактерии каждый день исполняют своего рода «танец».
Почти весь кислород в атмосфере появился благодаря цианобактериям
Еще больше материалов о том, как зарождалась жизнь на Земле вы найдете на нашем Яндекс.Дзен-канале.
От заката до рассвета бактерии, поедающие серу, находится на поверхности, то есть над цианобактериями, блокируя им доступ к солнечному свету. Когда утром выходит солнце, поедатели серы движутся вниз, а цианобактерии поднимаются на поверхность, чтобы начать фотосинтез и производить кислород. Однако с момента восхода солнца и до того, как начинается процесс фотосинтеза, проходит несколько часов. То есть оказалось, что цианобактерии любят “поздно вставать”. В таком случае продолжительность светового дня непосредственно влияет на количество вырабатываемого бактериями кислорода.
Почему замедлилась скорость вращения Земли
Земля 3,5 млрд лет назад вращалась с невероятно высокой скоростью, но ситуация изменилась с появлением Луны. На Землю стала действовать ее гравитация. Кроме того, возникли приливы и отливы, которые также внесли свой вклад в замедление скорости вращения планеты.
Появлению современной жизни на планете мы обязаны Луне
Первое сильное замедление Земли произошло 2,5 млрд лет назад, и оно как раз совпадает с тем периодом, когда сильно увеличилось содержание кислорода в атмосфере. В результате произошла так называемая “кислородная катастрофа”. Затем замедление вращения прекратилось примерно на один миллиард лет. Это совпало с периодом, когда ускорение роста уровня кислорода в атмосфере отсутствовало. Около 600 миллионов лет назад вновь произошло замедление скорости вращения планеты, и в этот период времени также отмечается скачок уровня кислорода. К слову, скорость вращения нашей планеты нестабильна и по сей день. К примеру, в 2020 году было отмечено ее ускорение.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить научные объяснения самым захватывающим загадкам природы, а также быть в курсе последних открытий.
Сопоставив картину замедления вращения земли и насыщения атмосферы кислородом, ученые пришли к выводу, что между этими процессами есть взаимосвязь. Ключом к разгадке стали упомянутые выше исследования на Мидл-Айленде, которые описаны в журнале Nature Geoscience.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что именно Луна стала толчком к зарождению жизни на Земле в том виде, в котором она существует сейчас. Правда, Луна повлияло лишь косвенно, непосредственное участие в синтезе кислорода принимало лишь Солнце и цианобактерии. Но парадокс в том, что Солнце может в будущем и лишить Землю кислорода, уничтожив растения и цианобактерии.
Новая теория появления кислорода на Земле
Атмосфера ранней Земли представляла собой смесь водяного пара, углекислого газа, аммиака, сероводорода и метана. Затем, около 2,4 миллиарда лет назад, уровень кислорода в атмосфере внезапно повысился. Еще через миллиард лет последовали еще два выброса кислорода в атмосферу. Один из них произошел около 800–540 миллионов лет назад. Уровень кислорода в атмосфере составил 10–50% от сегодняшнего. Насытилась им и поверхность океанов. Другой выброс произошел примерно 450–400 миллионов лет назад. Тогда уровень кислорода поднялся до современного, а столь важный для жизни газ проник уже и в глубины океана.
Подобные всплески уровня кислорода требуют объяснения. Одни ученые считают, что причиной тому тектонические явления — образование суперконтинентов, поднятие и выветривание гор, а также извержения. Любой из этих процессов способен спровоцировать выброс огромного количества питательных веществ в океаны, способствуя увеличению популяции водорослей. Другие ученые предполагают, что три всплеска уровня кислорода соответствуют трем важным эволюционным прорывам: увеличению числа фотосинтезирующих водорослей, расцвету этих водорослей и росту числа наземных растений.
Простого биогеохимического цикла Земли — рециркуляции углерода, кислорода и фосфора — достаточно, чтобы поднять уровень кислорода на планете.
Исследователи создали простую компьютерную модель, чтобы рассмотреть, как углерод, кислород и фосфор перемещаются по Земле и взаимодействуют друг с другом.
Фосфор, присутствующий только в камне, является ключевым питательным веществом для различных существ от микробов до водорослей и растений. Фосфор, выветрившийся из породы в океанскую воду, может стимулировать микробную и водорослевую активность, что, в свою очередь, делает воду бедной кислородом или токсичной и вытягивает больше кислорода из донных отложений. В конце концов, это приводит к тому, что в почву попадает больше органического углерода, а кислорода становится больше. Затем процесс, в ходе которого часть кислорода поднимается из воды в атмосферу, повторяется.
Постепенное охлаждение планеты также сыграло свою роль в деле повышения уровня кислорода. Ранняя земная атмосфера теряла кислород в результате химических реакций. Остывающая Земля выпускала в атмосферу меньше газов. Возможно, изменился и химический состав выбросов. В итоге химические процессы, уничтожающие кислород, прекратились.
Созданная компьютерная модель позволила воссоздать процессы, которые длились миллиарды лет, насыщая кислородом атмосферу и воду. Результаты оказались весьма правдоподобными и сошлись с фактическими данными уровня кислорода на Земле. «Мы пришли к выводу, что никаких глобальных тектонических или биологических событий не требовалось. Для появления мира с высоким содержанием кислорода не нужны сложные формы жизни. Если у вас есть лишь простые фотосинтезирующие бактерии, которые существовали на Земле в течение трех миллиардов лет, вы могли бы получить современный уровень кислорода» — говорит биогеохимик и специалист по моделированию из Университета Лидса в Англии Бенджамин Миллс. К слову, до сих пор подобные исследования не рассматривали роль фосфора.
Результаты исследования пригодятся тем, кто ищет жизнь на других планетах. Как отметил астробиолог и планетолог из Калифорнийского университета Джошуа Криссансен-Тоттон, оно избавляет от необходимости считать обязательным условием жизни тектоническую активность или наличие сложных фотосинтезирующих организмов, таких как наземные растения.
«Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием
Рис. 1. Архей — древнейшая (3,7–2,5 млрд лет) эпоха на нашей планете: тусклое солнце, густые тучи, мелкие моря, насыщенные сероводородом, бактериальные пленки с радужными разводами на их поверхности. Нужны новые исследования и новые подходы, чтобы узнать получше это время. Рисунок с сайта discoveryearth.ru
В 2002 году Генрих Холланд (Heinrich Holland) объединил целый ряд феноменов, связанных с рубежом архея и протерозоя, под именем «Великое кислородное событие» (Great Oxigenation Event). Имеющиеся данные позволяли представить этот рубеж таким образом: начало деятельности фотосинтетических организмов, накопление кислорода в связи с ней, и постепенное превращение планеты из восстановительной в окислительную. Последующие работы существенно скорректировали эту модель. Фотосинтетические организмы, выделяющие кислород, зародились на заре архейской жизни, но свободный кислород на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма. 90% своей жизни планета имела практически бескислородную гидросферу и атмосферу, при этом в протерозое содержание кислорода оказывается существенно меньшим, чем предполагалось прежде, и исключительно непостоянным.
В 50-х годах XX века стали накапливаться данные о раннепротерозойском кислородном скачке (Кислородная катастрофа, или Great Oxigenation Event, «Великое кислородное событие»). Складывалось представление, что ранняя атмосфера планеты была восстановительной, а затем 2,6–2,2 млрд лет назад атмосфера и океан постепенно стали наращивать свободный кислород. Кислород образовывался как побочный продукт деятельности фотосинтетиков: для получения энергии они использовали самое легкодоступное вещество на планете — воду. Такая модель основывалась на геохимических данных. Основным из них считалось высокое содержание в архейских породах двухвалентного (недоокисленного) железа в виде пирита (FeS2), магнетита (Fe3O4), сидерита (FeCO3). Зерна пирита при этом могли быть хорошо обкатаны, а, следовательно, они подвергались активному воздействию поверхностных вод и атмосферы. Также показательным виделось присутствие в древнейших породах графита (неокисленного углерода), лазурита (Na2S — неокисленная сера), а также железо-марганцевых руд. Эти последние формируются преимущественно в низкокислородных условиях, так как в неокисленном состоянии железо и марганец мигрируют вместе, а при повышенном содержании кислорода железо теряет подвижность, и их пути расходятся. В конце 60-х годов было представлено еще одно важное доказательство в пользу восстановительной атмосферы на древней Земле: осадочные уранинитовые конгломераты. Они могли накапливаться только в отсутствии кислорода, поэтому их находят только в древнейших породах. В протерозойских породах стали преобладать минералы с высокой степенью окисления элементов, железо-марганцевые руды и ураниниты исчезли. Зато появились редкие элементы, которые включаются в осадочные минералы в присутствии кислорода.
Проверка и уточнение этой гипотезы заняли следующие четыре десятка лет. Что вызвало кислородную революцию? Каковы датировки этого события? Куда девался кислород до великой кислородной революции и был ли он вообще? Почему вброс кислорода на рубеже архея и протерозоя произошел относительно быстро, а накопление кислорода шло медленно? Какова роль живых организмов в этом процессе? На все эти вопросы следовало поискать ответы. На страницах Nature Тимоти Лайонз (Timothy Lyons) с коллегами из отделения наук о Земле Калифорнийского Университета в Риверсайде суммировали то, что за это время удалось узнать. Картина, как выясняется, и сложнее, и интереснее, чем первоначальная простая модель, схематично изображенная на рис. 2.
Рис. 2. Так в общих чертах суммировались данные о кислороде на Земле согласно принятой ранее модели. В архее появились фотосинтетики, которые выделяли кислород (это оксигенный фотосинтез). За счет их деятельности океан и атмосфера местами обогащались кислородом, но их деятельность была вторичной по отношению к доминирующим анаэробным процессам. На границе архея и протерозоя (2,4–2,3 млрд лет) происходит выброс кислорода в атмосферу, уровень кислорода быстро (в геологическом масштабе) устанавливается на уровне 0,01 от современного (PAL — Present Atmosphere Level) и остается таким на протяжении всего протерозоя. Считается, что кислород уходит на окисление металлов в коре, в основном железа. В позднем протерозое (800–600 млн лет назад) уровень кислорода повышается снова, так как все железо к этому времени уже окислилось. Повышение уровня кислорода дает толчок развитию многоклеточной жизни. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
В связи с обсуждениями этой модели прежде всего следует задать вопрос о датировках кислородного события: все же, когда это произошло? Обычно, отвечая на этот вопрос, ссылаются на данные по фракционированию серы. Из-за разной реакционной способности изотопы серы накапливаются в минералах в определенных соотношениях — в этом и суть фракционирования изотопов. По этим соотношениям судят о механизмах фракционирования: механических соответственно массе изотопов (это масс-зависимое фракционирование) или биологических (это масс-независимое фракционирование). Сигнал о смене масс-независимого фракционирования на масс-зависимое фракционирование легко читается в архейских и протерозойских породах. Считалось, что масс-независимое фракционирование обеспечивали бактерии сульфатредукторы: они предпочитали для своих нужд более легкие изотопы. Поэтому архейское время с масс-независимым сигналом считали анаэробным миром сульфатредукторов. А когда в наступившем кислородном изобилии их восстановительный мир, как предполагалось, съежился до крошечных анклавов, то и биологическое фракционирование серы в основном остановилось. И по этому сигналу датировалось наступление Великой кислородной революции. Однако удалось красиво доказать, что сдвиг от масс-независимого к масс-зависимому фракционированию изотопов серы объясняется вовсе не свержением сульфатредукторов с их господствующих позиций (об этом см. новость Древнейшие бактерии архея не были сульфатредукторами, «Элементы», 28.09.2012). Этот переход был связан с изменениями в архейской атмосфере (ее прозрачностью, плотностью, типами и объемом вулканических выбросов). Это не значит, что сульфатредукторов не было, это не значит, что не было биологического масс-независимого фракционирования серы. Это означает, что не следует связывать датировку событий фракционирования серы с кислородной революцией. Сульфатредукторы — своим чередом, а фракционирование серы — своим, и где тут помещается поступление кислорода — неизвестно. Более того, сигнал масс-независимого фракционирования может быть «размазан» во времени из-за постоянного геологического круговорота серы. Минералы, несущие тот или иной сигнал фракционирования, могли сформироваться в более древние времена, затем оказаться погребенными, затем вновь подняться к поверхности. Таким образом, древний сигнал может появиться и в более молодых образцах. Поэтому на сегодняшний день трудно, во-первых, связать сигнал о масс-независимом фракционировании с определенным временем, во-вторых, с определенным биологическим механизмом, в третьих, с кислородным событием.
Считалось также, что в рассуждениях об архейской жизни можно опираться на данные по биомаркерам — молекулам, специфически указывающих на тот или иной тип метаболизма и/или тип микроорганизмов. Такими, например, являются молекулы стеранов, присущих только эукариотам; для их синтеза необходим кислород. Стераны обнаружили в породах, возрастом 2,7 млрд лет. Пока ученые обсуждали, так ли уж необходим кислород для синтеза стеранов, а если необходим, то в каком количестве, оказалось, что взбудоражившие всех стераны являются позднейшим загрязнением (об этом читайте в новости Древнейшие следы эукариот и цианобактерий на Земле признаны поздним загрязнением, «Элементы», 29.10.2008). Кроме того, некоторые последние работы заставляют сомневаться в надежности данных по биомаркерам: из них многие могут оказаться позднейшим загрязнением. Но опять же, это не означает, что фотосинтетиков не было. Они были, и даже с большой вероятностью.
Чтобы подтвердить свои предположения, Лайонз с коллегами предлагает обратить внимание на график распределения органического вещества в осадочных породах архея (рис. 3).
Рис. 3. Распределение (по оси ординат откладывается кумулятивная частота, f) валового органического углерода TOC (Total Organic Carbon) в осадочных породах архея (красная пунктирная линия) по сравнению с неогеном (черная линия). Сходство между ними трудно не заметить. Вертикальными линиями отмечены усредненные показатели содержания углерода. График из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 4. Изотопные кривые углерода-13 (черная) и серы-33 (розовые и серые точки): эти кривые плохо соответствуют друг другу, их основные осцилляции приходятся на разные времена. На кривой изотопов серы хорошо виден переход от масс-независимого фракционирования к масс-зависимому. На изотопной кривой углерода хорошо видны резкие флуктуации в раннем и позднем протерозое. График из обсуждаемой статьи в Nature
Об изменениях в характере синтеза органики судили по резким скачкам на изотопной кривой δ 13 С (рис. 4). В раннем протерозое около 2,4 млрд лет назад на кривой появляется высокий положительный экскурс (то есть, происходило повышение доли захороненной биологической продукции углерода), а около 2,2–2,1 — отрицательный. Как выясняется, раннепротерозойский пик δ 13 С асинхронный, а значит, его нельзя просто истолковать как повсеместное увеличение органического производства. Скорее нужно рассматривать увеличение захороненной органики как результат дисбаланса между процессами накопления (захоронения) и разложения органики. Ясно, что если эти два процесса идут с одинаковой скоростью, то ничего не накапливается и не подвергается захоронению, а значит, и никакого сигнала мы, вероятно, не получим. Сдвиг на изотопной кривой трактуется как нарушение этого баланса в сторону накопления.
Как это ни удивительно, но вслед за кислородным событием на рубеже архея и протерозоя (уже ясно, что его не следует называть великим, так как собственно события и не было) не последовало постепенного нарастания кислорода, как можно было бы ожидать при наступлении эры фотосинтетиков. Количество кислорода то снижалось, то вновь увеличивалось, планетные оледенения то наступали, то заканчивались. Так, около 2,08–2,06 млрд лет назад количество кислорода резко снизилось. Соответственно упало и количество захороненной биоорганики. Причины этих скачков пока неизвестны. Также настораживает наличие неокисленных хрома и марганца в протерозойских палеопочвах: в присутствии кислорода эти металлы должны были бы окислиться чрезвычайно быстро.
Также оказалась несостоятельной гипотеза о существовании стратифицированного океана с насыщенными кислородом поверхностными водами и насыщенными сероводородом глубокими водами (модель Черного моря). Скорее всего, напротив, сероводородные слои размещались на мелководьях (рис. 5). И это как раз было следствием активной жизни и высокой органической продукции мелководий фотической зоны. Хотя, безусловно, кислородная стратификация океана так или иначе имела место.
Рис. 5. Примерно так представляется распределение в океане кислорода, двухвалентного железа и сероводорода в архее и протерозое. В архее (слева) было низкое содержание кислорода во всем океане, в фотической мелководной зоне развивалась жизнь, повышая содержание сероводорода и окисляя железо. В раннем протерозое (в центре) развитие жизни и повышение тем или иным способом содержания кислорода в поверхностных слоях привело к развитию мелководного сероводородного слоя, и к концентрации двухвалентного железа. В глубоких слоях океана ничего не изменилось. В позднем протерозое (справа) происходит оксигенизация глубоких вод, двухвалентное железо становится экзотикой во всех слоях океана. Схемы из обсуждаемой статьи в Nature
В результате суммирования всех этих данных и рассуждений получается, что содержание кислорода в атмосфере и океане на протяжении протерозоя было непостоянным. Оно немного повысилось по сравнению с археем, хотя оставалось сравнительно низким — ниже, чем предполагалось прежде. Стоит заметить, что никаких особых изменений в биоте с кислородными флуктуациями не связано.
Рис. 6. Современные представления об истории кислорода на Земле. См. пояснения в тексте. Схема из обсуждаемой статьи в Nature
Таким образом, история кислорода на планете предстает несколько иной, чем представлялось прежде (рис. 6). Кислородный фотосинтез и, соответственно, использующие его фотосинтетики существовали с самых ранних архейских времен. Свободный кислород — побочная продукция их метаболизма — мог накапливаться локально (голубые стрелки на схеме), однако масштаб раннего фотосинтеза на планете пока трудно оценить. Весь этот кислород уходил на окисление органики и других элементов, в частности, вулканических газов. Изменения в характере вулканизма на планете начались в позднем архее. Они были связаны с формированием и стабилизацией континентальных плит. В результате этих геологических процессов баланс поступления кислорода и его изъятия резко нарушился: в атмосферу стал поступать свободный кислород. Эти взаимосвязанные процессы заняли значительное время, а не случились в конце архея по мановению волшебной «фотосинтетической» палочки. В течение протерозоя уровень кислорода менялся, временами на порядок, но в среднем оставался низким. Глубокие слои океана оставались бескислородными. В конце протерозоя океан оказался насыщенным кислородом до самых глубин.
Остается загадкой второй кислородный скачок, который произошел в конце протерозоя. С ним связывается появление многоклеточной жизни. Как это ни парадоксально, при наличии большого числа отложений этого возраста и, соответственно, внушительного количества данных по этому критическому интервалу, сейчас трудно сформулировать сколько-нибудь законченную модель этого кислородного сдвига. Важно, что незадолго до него появилось очень большое количество отложений органики, обогащенной легкими изотопами, а затем последовало великое оледенение и планета превратилась в снежный шар. После оледенения захоранивалась органика с низким изотопным сигналом 13 С. Иными словами, череда глобальных событий напоминает ту, что относится к раннепротерозойской последовательности. Ясно, что и в этом случае мог нарушиться баланс между производством и стоком кислорода.
Обзор ясно показывает, что наши знания о древнейших временах нашей планеты не полны, или даже ужасающе бедны. Остается лишь надеяться на будущих исследователей, и что этот неподатливый материал все же откроет им свои тайны.
Источник: T. W. Lyons, C. T. Reinhard & N. J. Planavsky. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere // Nature. 2014. V. 506. P. 307–315.