Почему на протяжении всей истории кислород на Земле то в избытке, то почти исчезает из атмосферы

Согласно новому исследованию, переход Земли к постоянному сохранению насыщенной кислородом атмосферы был остановленным процессом, который занял на 100 миллионов лет больше, чем считалось ранее.

Ученые провели масштабное исследование древних пород, чтобы выяснить, почему содержание кислорода на нашей планете так нестабильно — и понять, чего стоит опасаться в будущем

Когда Земля впервые сформировалась 4,5 миллиарда лет назад, в атмосфере почти не было кислорода. Но 2,43 миллиарда лет назад кое-что произошло: уровень кислорода начал расти, затем падать, что сопровождалось масштабными изменениями климата, включая несколько оледенений, которые, возможно, покрыли весь земной шар льдом.

Химические вещества, отложившиеся в то время в породах, указывают, что 2,32 миллиарда лет назад кислород уже был постоянным элементом атмосферы планеты. Однако новое исследование, посвященное более позднему периоду, обнаружило, что уровень кислорода все еще колебался взад и вперед даже 100 000 лет спустя, когда планета, наконец, достигла критической точки.

Работа, опубликованная в журнале Nature, продлевает продолжительность того, что ученые называют Великое окислительное событием (Great Oxygen Event, сокр. GOE), на 100 миллионов лет. Она также может подтвердить связь между оксигенацией и резкими колебаниями климата. «Мы только сейчас начинаем понимать сложность этого события», — признался соавтор исследования Андрей Беккер, геолог из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Как на Земле появился кислород

Кислород, созданный во время Великого окислительного события, был создан морскими цианобактериями — типом бактерий, которые производят энергию посредством фотосинтеза. Основным побочным продуктом фотосинтеза является кислород, и ранние цианобактерии в конечном итоге произвели достаточно кислорода, чтобы навсегда изменить облик планеты.

Химическая «подпись» этого изменения видна в морских осадочных породах. В бескислородной атмосфере эти породы содержат определенные виды изотопов серы (изотопы — это элементы с различным числом нейтронов в ядрах). Когда возникают кислородные пики, эти изотопы серы исчезают, потому что химические реакции, которые их создают, не происходят в присутствии кислорода.

Беккер и его коллеги давно изучали появление и исчезновение сигнатур изотопа серы. Они и другие исследователи заметили, что повышение и понижение содержания кислорода в атмосфере, казалось, связано с тремя глобальными оледенениями, которые произошли между 2,5 и 2,2 миллиардами лет назад. Но, как ни странно, четвертое и последнее оледенение в тот период уже не было связано с колебаниями уровня кислорода в атмосфере.

Беккер рассказал в интервью Live Science, что ученые были озадачены. «Почему у нас есть четыре ледниковых события, три из них могут быть связаны и объяснены вариациями атмосферного кислорода, но четвертое внезапно стоит особняком?»

Чтобы выяснить это, исследователи изучили более молодые породы из Южной Африки. Эти морские породы покрывают более позднюю часть Великого окислительного события, от последствий третьего оледенения до примерно 2,2 миллиарда лет назад.

Выяснилось, что после третьего оледенения атмосфера сначала была бескислородной, затем уровень кислород возрос и снова упал. Кислород снова поднялся 2,32 миллиарда лет назад — точка, в которой, по мнению ученых, повышение было постоянным. Но в более молодых породах Беккер и его коллеги снова обнаружили падение уровня кислорода. Это падение совпало с последним оледенением, которое ранее не связывали с атмосферными изменениями.

«Атмосферный кислород в то время был очень нестабильным, поднимался до относительно высоких уровней и падал почти до нуля», — сказал Беккер. «Этого мы не ожидали».

Цианобактерии против вулканов
Исследователи все еще выясняют, что вызвало все эти колебания, но у них уже есть некоторые идеи. Одним из ключевых факторов является метан, парниковый газ, который более эффективно удерживает тепло, чем углекислый газ.

Сегодня метан играет небольшую роль в глобальном потеплении по сравнению с углекислым газом, потому что он вступает в реакцию с кислородом и исчезает из атмосферы в течение примерно десяти лет, тогда как углекислый газ остается ней на протяжении веков. Но когда в атмосфере почти не было кислорода, метан существовал намного дольше и выступал в качестве более важного парникового газа.

Таким образом, последовательность оксигенации и изменения климата, возможно, была примерно такой: цианобактерии начали вырабатывать кислород, который в то время реагировал с метаном в атмосфере, оставляя после себя только углекислый газ.

Этого углекислого газа было недостаточно, чтобы компенсировать согревающий эффект потерянного метана, поэтому планета начала охлаждаться. Ледники расширились, и поверхность планеты стала ледяной и холодной.

Однако спасением планеты от постоянного замораживания стали подледниковые вулканы. Вулканическая активность в конечном итоге повысила уровень углекислого газа до уровня, достаточного для того, чтобы снова нагреть планету. И хотя производство кислорода в покрытых льдом океанах замедлилось из-за того, что цианобактерии получали меньше солнечного света, метан из вулканов и микроорганизмов снова начал накапливаться в атмосфере, еще больше нагревая обстановку.

Но вулканический углекислый газ возымел еще один важный эффект. Когда диоксид углерода вступает в реакцию с дождевой водой, он образует углекислоту, которая растворяет горные породы быстрее, чем дождевая вода с нейтральным pH. Это более быстрое выветривание пород приносит в океаны больше питательных веществ, таких как фосфор.

Более 2 миллиардов лет назад такой приток питательных веществ довел бы производящие кислород морские цианобактерии до продуктивного безумия, снова повысив уровень кислорода в атмосфере, снизив уровень метана и вновь запустив весь цикл.

В конце концов, еще одно геологическое изменение прервало этот цикл оксигенации и оледенения. Похоже, что эта закономерность закончилась около 2,2 миллиарда лет назад, когда летописи горных пород указывают на увеличение содержания органического углерода, что свидетельствует о расцвете фотосинтезирующих организмов.

Никто точно не знает, что вызвало этот переломный момент, хотя Беккер и его коллеги предполагают, что вулканическая активность в этот период обеспечила новый приток питательных веществ в океаны, наконец дав цианобактериям все необходимое для процветания.

На тот момент, сказал Беккер, уровень кислорода был достаточно высоким, чтобы надолго подавить чрезмерное влияние метана на климат, а углекислый газ от вулканической активности и других источников стал доминирующим парниковым газом для сохранения тепла на планете. Но эти данные все еще недостаточны для формирования всеобъемлющей картины климатических изменений, а потому у ученых впереди еще масса работы.