Определено, что спровоцировало одно из самых кардинальных изменений на Земле

Фото из открытых источников

Когда-то все было предельно ясно. В течение первых 2 миллиардов лет на Земле почти не было свободного кислорода ни в воздухе, ни в океанах. Затем, около 2,45 миллиарда лет назад, предки фотосинтезирующих цианобактерий начали насыщать мир кислородом, создавая условия, которые позволили сложной жизни развиваться и процветать. Великое окислительное событие (ВОС), как его называют, — это «самое удивительное и драматичное изменение в работе поверхности Земли за всю ее историю», — говорит геохимик Моджтаба Фахраи из Университета Коннектикута.

Но в последнее время эта история обрастает новыми подробностями. Анализ минералов показывает, что продуцирующие кислород микроорганизмы появились за сотни миллионов лет до Великого кислородного события, оставляя огромный необъяснимый пробел в истории, когда уровень кислорода оставался низким. Кроме того, Великое кислородное событие, по всей видимости, состояло не из одного, а из нескольких этапов, когда уровень кислорода неоднократно повышался и понижался в течение примерно 200 миллионов лет: за Великим окислением следовала Великая деоксидация, и так несколько раз.

Сейчас появляются возможные объяснения. В одном из докладов на конференции, посвященной Гольдшмидту, прозвучала гипотеза, что кислород не мог подняться на поверхность до тех пор, пока в Мировом океане не образовались обширные мелководные участки. В другом докладе утверждалось, что всплески содержания кислорода отражают периодическое превращение древней Земли в «Землю-снежок», когда лед покрывал планету вплоть до низких широт.

На протяжении нескольких десятилетий ученые определяли глобальное оледенение по резкому изменению соотношения трех изотопов серы в горных породах, что отражало изменения в распаде диоксида серы в атмосфере под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения.Эти реакции замедлились после того, как повышение уровня кислорода привело к образованию озонового слоя, блокирующего УФ-излучение. Изотопный сдвиг позволил установить, что возраст Земли составляет 2,45 миллиарда лет — эта дата до сих пор считается общепринятой.

Однако исследование, ранее опубликованное в журнале Nature, выявило карбонатные отложения, образовавшиеся в результате жизнедеятельности цианобактерий, вырабатывающих кислород, 2,85 миллиарда лет назад. Использование скорости мутаций современных микробов для определения времени возникновения фотосинтеза отодвинуло эту дату еще дальше — на 3,5 миллиарда лет назад. На протяжении двух десятилетий исследователи отслеживали так называемые «вспышки» кислорода, предшествовавшие глобальному оледенению, зафиксированные в минералах, для образования которых необходим кислород.

В совокупности эти исследования рисуют убедительную картину того, что глобальное окисление не началось до тех пор, пока спустя сотни миллионов лет после появления фотосинтезирующих микробов не появились и сами фотосинтезирующие организмы, говорит Фахраи. «Главный вопрос — почему?»

Не все согласны с тем, что фотосинтез для производства кислорода развился так рано, говорит Джена Джонсон, геохимик из Мичиганского университета, которая показала, что микробы, возможно, сначала развили форму этого процесса, при которой кислород не вырабатывался. Более того, некоторые оксиды металлов, которые когда-то считались признаками наличия биологического кислорода, как было доказано, образуются в результате фотохимических реакций, вызванных ультрафиолетовым излучением. «Нам еще предстоит многое узнать», — говорит она.

Но если предположить, что разрыв между фотосинтетическим взрывом и глобальным окислительным эпизодом реален, то некоторые ученые объясняют его тем, что ранний кислород поглощался в результате реакций с восстанавливающими веществами, такими как железо, плававшее в океане. Поглощенный кислород способствовал образованию железомарганцевых конкреций с темно-красными полосами из окисленного железа, которые встречаются в Австралии и других местах. Позже исследователи предположили, что постоянный приток восстанавливающих веществ из глубин Земли препятствовал накоплению кислорода. Но, по словам Джонсона, непонятно, как такая химическая губка могла бы сохранять свои свойства сотни миллионов лет.

Новое объяснение этого явления, предложенное Фахраи и его соавторами и представленное в докладе Голдшмидта, связано с континентальными шельфами — мелководными участками океана, которые сегодня являются одними из самых богатых фотосинтетическим кислородом мест на планете, несмотря на то, что их площадь составляет всего 9% от общей площади океана. Когда морские цианобактерии погибают на шельфах, их углерод быстро оказывается в осадочных породах, что препятствует его окислению и поглощению кислорода из атмосферы. Есть основания полагать, что шельфы начали расширяться примерно в то же время, когда образовались молодые континенты. По словам Фахраи, модель показала, что, как только площадь шельфов превысила бы 10% от нынешней, начался бы рост содержания кислорода. «Это подтверждает идею о том, что тектоническая активность могла привести к масштабным изменениям».

Однако эти изменения не были стабильными. В начале этого десятилетия группа геохимиков сообщила, что в морских отложениях Южной Африки признаки низкого содержания кислорода в сульфидах неоднократно проявлялись в течение 200 миллионов лет после начала работы GOE, в том числе в те периоды, которые, как считается, трижды приводили к состоянию «Земли-снежка». «Мы поняли, что [Глобальное оледенение] было скорее эпизодическим процессом», — говорит геохимик Андрей Беккер из Калифорнийского университета в Риверсайде, соавтор статьи, опубликованной в 2021 году в Nature.

На конференции, посвященной открытию Гольдшмидта, Колин Голдблатт, климатолог из Университета Виктории, заявил, что Земля-снежок могла стать причиной нестабильного начала Глобального оледенения. Геологические данные в основном подтверждают, что первая «Земля-снежок» возникла до Великого пермского вымирания. Возможно, она была вызвана снижением уровня углекислого газа (CO2) из-за его повышенного поглощения горными породами или уменьшения вулканических выбросов.

Какова бы ни была причина, это глобальное оледенение в значительной степени препятствовало бы поглощению океанами CO2, что привело бы к его накоплению, повторному нагреву планеты и таянию всех льдов. Оттепель длилась бы всего 10 000 лет, в то время как CO2 оставался бы в атмосфере в течение 100 000 лет. В результате в жарком климате большое количество фосфора вымывалось бы с континентов в океан, что привело бы к бурному росту морских микроорганизмов и увеличению содержания кислорода. Образовался бы озоновый слой, который ограничил бы распад кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения.

Затем, когда наступил следующий период «Земли-снежка» и производство микробов в океане сократилось, уровень кислорода снова упал. «Кислород меняется в зависимости от климата Земли до тех пор, пока она не выйдет из цикла низкоширотных оледенений», — говорит Голдблатт.

По словам Голдблатта, ранние исследователи истории Земли только начинают воссоздавать четкую картину глобального оледенения, которая может включать в себя факторы, выходящие за рамки континентальных шельфов. «Вероятно, у каждого человека в этой комнате есть своя идея».