Ученые выяснили, когда в атмосфере Земли появился кислород

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Считается, что изначально атмосфера Земли бела бескислородной, а примерно 2,43–2,45 миллиарда лет назад произошло ее существенное обогащение кислородом. Это событие, которые ученые называют кислородной революцией, сделало возможным развитие жизни на Земле в том виде, в котором мы ее знаем.

Исследователи из США, Великобритании и Дании проанализировали состав морских осадочных пород из Южной Африки, относящихся по возрасту своего образования к палеопротерозою — от 2,5 до 1,6 миллиарда лет. По изотопным сигнатурам серы, железа и углерода ученые смогли детально восстановить картину изменения окислительно-восстановительных условий в океане того периода, а отсюда — и определить уровни кислорода в древней атмосфере.

Оказалось, что первоначальное обогащение кислородом, до значений порядка 10-5 от современного, действительно произошло около 2,43 миллиарда лет назад. Но затем уровень O2 неоднократно то падал, то снова повышался, прежде чем примерно 2,22 миллиарда лет назад он стал постоянным компонентом атмосферы Земли.

По мнению авторов, эти колебания позволяют объяснить экстремальные климатические изменения, имевшие место в раннем протерозое, когда за относительно короткий с геологической точки зрения период Земля пережила четыре оледенения — вся планета целиком покрывалась льдом и снегом на несколько миллионов лет.

Ученые объясняют это резкими изменениями соотношения атмосферных газов — кислорода с одной стороны, и парниковых газов, таких как метан и углекислый газ — с другой. Известно, что чем выше уровень последних, тем сильнее парниковый эффект, с которым связано потепление на планете. Смещение в сторону кислорода, наоборот, приводит к резкому похолоданию и наступлению очередного ледникового периода.

Возможно, считают исследователи, основными источниками парниковых газов были вулканы, и периоды потепления связаны с активными фазами вулканизма. А когда вулканы успокаивались, снова наступало оледенение.

"Перед началом этой работы мы задались вопросом, почему произошли четыре ледниковых события, если кислород уже был постоянным компонентом атмосферы, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова одного из авторов исследования Андрея Беккера (Andrey Bekker) из департамента наук о Земле и планетах. — Мы обнаружили, что окончательный подъем кислорода на самом деле произошел только после четвертого, последнего оледенения эры палеопротерозоя, а не до него, и это, в нашем понимании, и есть решение главной загадки".

Таким образом, считают ученые, кислородная революция, после которой наступил длительный период экологической стабильности, произошла на 200 миллионов лет позже, чем считали ранее.

"Раньше мы думали, что после того как уровень кислорода поднялся, он больше никогда не возвращался к низким уровням, — продолжает Беккер. — Теперь мы выяснили, что он колебался, опускаясь до очень низкого уровня, и это может иметь драматические последствия с точки зрения понимания событий вымирания и эволюции жизни".

"Мы не сможем понять причины и последствия атмосферной оксигенации — наиболее значимого фактора, влияющего на пригодность планеты для жизни, — если мы не узнаем, когда на самом деле произошло постоянное насыщение атмосферы кислородом", — говорит первый автор статьи Саймон Поултон (Simon Poulton), биогеохимик из Университета Лидса в Великобритании.

Второе значимое повышением содержания кислорода в атмосфере произошло полтора миллиона лет спустя, на рубеже протерозоя и кембрийского периода, обеспечив условия для развития сложных форм жизни.