Скрытый запас марганца мог помочь Земле получить кислород

Фото из открытых источников

Глубоко под нашими ногами марганец может существовать в форме, которую мы никогда раньше не видели, и этот подземный источник металла мог сыграть роль в истории получения Землей кислорода. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review B.

Примерно до 2 миллиардов лет назад атмосфера Земли практически не содержала кислорода. Затем произошло Великое кислородное событие (ВКС), когда кислород, производимый фотосинтезирующими микробами, начал накапливаться, стимулируя развитие более разнообразных форм жизни и изменяя планету.

Считается, что марганец был важнейшим компонентом ранней версии фотосинтеза, до эволюции широко распространенного сегодня пути производства кислорода. В земной коре марганец обычно встречается в кислородсодержащих рудах, которые начали накапливаться примерно в то же время, что и ВКС.

По словам Цзинмина Ши из Цзянсуского педагогического университета в Китае, часть этой руды могла происходить из ранее неизвестного соединения марганца, находящегося глубоко под землей, в мантии Земли.

Известно, что многие оксиды марганца существуют при стандартном давлении, но Ши и его коллеги решили исследовать, какие из них могут быть стабильны при экстремальных давлениях и температурах глубоко внутри нашей планеты. Они использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить, как тысячи различных конфигураций атомов марганца и кислорода будут вести себя при давлении, в 1,5 миллиона раз превышающем атмосферное, что сопоставимо с условиями на глубине около 2900 километров под поверхностью Земли.

Это привело их к открытию нескольких новых соединений, включая одно, содержащее четыре атома марганца на каждый атом кислорода, которое необычайно богато этим металлом. «Мы не ожидали, что такой богатый марганцем оксид будет стабилен в таком широком диапазоне давлений. Это было самым интересным и неожиданным открытием», — говорит Ши.

Хотя у команды нет прямых доказательств существования нового соединения в мантии Земли, его свойства могут частично объяснить, почему сейсмические волны распространяются необычно медленно в некоторых областях, где встречаются мантия и ядро нашей планеты. Это поднимает вопрос о том, что некоторые богатые марганцем участки во внутренней части Земли могли остаться незамеченными в исследованиях перемещения марганца в прошлом, говорит Ши.

Новое соединение марганца вполне могло переместиться из недр Земли на дно древних океанов, частично объясняя, почему так много марганцевой руды появилось во время Великого окислительного события, говорит Тимоти Лайонс из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Это потенциально важная часть марганцевого цикла, элемента, имеющего далеко идущее значение от ранней эволюции жизни до современного производства стали и батарей, а также здоровья человека», — говорит он.

«Одна из причин, по которой эта работа интересна, заключается в том, что высокое давление может стабилизировать соединения, которые обычно не существуют вблизи поверхности Земли. При сильном сжатии атомы связываются по-разному, и материалы могут принимать необычные кристаллические структуры и степени окисления», — говорит Кэролайн Пикок из Университета Лидса в Великобритании.

Но, по ее мнению, для того, чтобы сделать какие-либо твердые выводы об оксидах марганца внутри Земли, необходимо гораздо больше доказательств. Пикок говорит, что связи, установленные командой с сейсмическими данными, движением металлов в земной мантии и даже с Великой окисью углерода, интригуют, но всё ещё носят довольно спекулятивный характер.

Соответственно, Ши и его коллеги надеются в конечном итоге изучить новый оксид марганца в экспериментах, где специальный прибор, изготовленный из алмазов, сможет сжимать его до очень высоких давлений, имитируя условия глубоких слоев Земли.