В атмосфере содержится примерно 21 процент кислорода, без которого жизнь на нашей планете невозможна. Однако миллиарды лет назад кислород там практически отсутствовал — основным компонентом был углекислый газ. Ученые давно пытаются понять, как именно возник кислородный слой, давший толчок развитию сложных организмов. Исследователи из Японии пришли к выводу, что важную роль сыграла масштабная вулканическая активность, запустившая цепь событий, которые создали необходимые условия для появления кислорода.
По мнению авторов новой научной работы, в поздний архей кислород в атмосфере не накапливался сразу. Его уровень скачкообразно рос в периоды вулканической активности и падал, когда извержения стихали / © Unsplash, Alain Bonnardeaux
Среди ученых распространено мнение, что атмосфера Земли стала насыщаться кислородом в позднем архее, почти 2,5 миллиарда лет назад. Произошло это, скорее всего, благодаря относительно быстрому росту числа микроорганизмов, способных к фотосинтезу. Их распространение связывают с благоприятными условиями и отсутствием конкуренции. В истории нашей планеты этот период называют кислородной катастрофой, или великим окислением — глобальным изменением состава атмосферы, когда появился свободный кислород и произошли изменения общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный.
Первые фотосинтезирующие организмы — цианобактерии (сине-зеленые водоросли) — преобразовывали углекислый газ в кислород и выделяли его в атмосферу. До этого кислород там почти отсутствовал, и большинство живых организмов были анаэробными (не нуждаются в кислороде). С накоплением кислорода многие из этих простейших организмов вымерли, а условия на Земле резко изменились, что дало возможность развиться новым, более сложным формам жизни.
Однако авторы предыдущих научных работ предположили, что еще до кислородной катастрофы атмосфера претерпевала кратковременные повышения уровня кислорода — «всплески» (whiffs). Цианобактерии существовали за несколько сотен миллионов лет до великого окисления, почему же переход к кислородной атмосфере занял так много времени?
Команда японских ученых под руководством Эйити Тадзики (Eiichi Tajika), заведующего кафедрой наук о Земле в Токийском университете, предложила гипотезу, объясняющую, почему происходили эти «всплески» и какие именно события предшествовали насыщению атмосферы кислородом. По мнению исследователей, почву для появления кислородной атмосферы могла подготовить вулканическая активность. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Communications Earth & Environment.
«Деятельность организмов в океане сыграла важную роль в эволюции атмосферного кислорода. Но даже самым трудолюбивым работникам нужны инструменты и материалы. Проблема в том, что „инструментов” — питательных веществ, например фосфатов — цианобактериям катастрофически не хватало. Без этих элементов организмы просто не могли работать на полную мощность, чтобы насытить атмосферу кислородом. Получается замкнутый круг: цианобактерии готовы производить кислород, но им нечем питаться. Наши модели показали, что разорвать круг помогли глобальные геологические изменения, а именно — рост континентов и чудовищные извержения вулканов», — объяснил Тадзика.
Исследователи использовали численное моделирование, чтобы изучить биологические, геологические и химические изменения, происходившие в поздний архейский эон (3,0–2,5 миллиарда лет назад).
Модели показали, что приблизительно три миллиарда лет назад на Земле могла происходить масштабная вулканическая активность. Извержения насыщали атмосферу углекислым газом, который разогревал климат. Это усиливало выветривание горных пород на молодых континентах, а реки вымывали из них фосфаты и другие элементы, смывая их в океан, где организмы получили ресурсы для взрывного размножения. Кислород начал накапливаться в воздухе, правда, на первом этапе временно.
По мнению авторов новой научной работы, кислород не накапливался сразу: его уровень скачкообразно рос в периоды вулканической активности и падал, когда извержения стихали. Эти колебания оставили след в геологической летописи — слоях пород с аномальным содержанием элементов, чувствительных к кислороду.
«Всплески» объясняются тем, что поступление питательных веществ в океан носило нерегулярный характер. Фотосинтезирующие бактерии могли быстро наращивать популяцию, но затем запасы необходимых веществ истощались и уровень кислорода вновь падал.
Результаты исследования команды Тадзики помогут лучше понять, как сформировалась современная атмосфера Земли. Ученые предположили, что путь к кислородной среде был сложным и состоял из нескольких этапов. Вулканическая активность не только меняла климат, но и создавала условия для появления фотосинтезирующих организмов. Именно благодаря этим процессам наша планета стала пригодной для жизни в ее современном виде. Без вулканической активности, считают авторы, Земля могла бы остаться безжизненной пустыней еще миллиарды лет.
