Как в атмосфере Земли появился кислород?

Ученые использовали новаторскую технику, чтобы выяснить, как атмосфера Земли миллиарды лет назад наполнилась кислородом.

Исследование опубликовано в журнале Science. Большую часть своей истории Земля была домом лишь для микроорганизмов — многоклеточная жизнь появилась на ней, по разным оценкам, от 2,1 до 1,9 миллиарда лет назад. Однако расцвет ее пришелся на период всего 600 миллионов лет назад, в поздний докембрий. Именно тогда появилось широкое разнообразие многоклеточных организмов — так называемой вендской фауны. Большую роль в этом процессе сыграл в числе прочего кислород.

Существуют разные гипотезы о появлении его в земной атмосфере. Основная предполагает, что единственным значимым источником молекулярного кислорода служит биосфера, то есть фотосинтезирующие организмы. Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7-2,8 миллиарда лет назад. Так, за миллионы лет эти микроорганизмы и наполнили атмосферу кислородом.

Однако американские ученые предполагают, что не последнюю роль в этом сыграли и другие процессы. Исследователи из Чикагского и Калифорнийского университетов кропотливо воссоздали хронологию событий на древней Земле и провели анализ очень старых пород, состав которых меняется в зависимости от условий окружающей среды.

Они обратили внимание, что до того, как атмосфера заполнилась кислородом (так называемой Кислородной катастрофы, произошедшей около 2,45 миллиарда лет назад), наша планета испытывала кратковременное воздействие небольших «кислородных всплесков».

Известно, что древние океаны содержали большое количество железа, которое должно было препятствовать накоплению свободного кислорода в атмосфере. При этом часть океанического железа соединялась с серой, выбрасываемой вулканами и образовывала пирит (его еще называют «золотом дураков»). Этот процесс сопровождается выделением кислорода. Но какая из этих химических реакций «перевесит» другую, ученые не знали.

Чтобы выяснить это, исследователи использовали современное оборудование и новый метод измерения крошечных вариаций изотопов железа. Это помогло ученым понять, что, несмотря на океаны, насыщенные железом, определенные условия могли способствовать образованию достаточного количества пирита, а значит, и кислорода, который мог выбрасываться в атмосферу. Открытие помогает не только лучше понять историю Земли, но и узнать, как формируется кислородная оболочка на экзопланетах, и, следовательно, способствует тому, чтобы найти на них признаки жизни.