Раскрыта тайна земного кислорода

Существует большое количество гипотез, пытающихся объяснить появление а затем и прогрессивное увеличение количества кислорода в земной атмосфере 2,4 млрд. лет назад. Однако, поскольку до сих пор отсутствовало полное понимание механизмов этого процесса, подтвержденных эмпирическими данными, ни одна из гипотез не стала общепризнанной теорией. Новая модель, построенная учеными из университета штата Вашингтон, позволила написать наиболее достоверный на сегодняшний день сценарий насыщения атмосферы кислородом. Она дала также ответ на вопрос, почему для этого понадобилось более 300 млн. лет после появления первых микроорганизмов, жизнедеятельность которых основана на фотосинтезе.

«Одна из причин медленного роста содержания кислорода в земной атмосфере — в повышенной вулканической активности молодой Земли, — объясняет соавтор исследования, аспирант университета Марк Клер (Mark Claire). — Вулканические газы, извергаемые в то время в больших количествах, вступали во взаимодействие с кислородом, образуя новые соединения. Другим источником потребления кислорода было большое количество метеоритов, падавших тогда на Землю. Известно, что метеориты богаты железом. Окисление железа приводило к поглощению свободного кислорода, вырабатываемого бактериями».

Оказалось, что построенная американскими учеными модель очень чувствительна к процентному содержанию железа на поверхности Земли. Так, пятикратное увеличение количества железа предсказывает задержку в насыщении атмосферы кислородом до известного нам сейчас уровня на целый миллиард лет. С другой стороны, если бы количества железа на поверхности было всего на 20% меньше, чем это было на самом деле, земная атмосфера насытилась бы кислородом на миллиард лет раньше. «Такой разброс оказался для нас совершенно неожиданным, — признается Клер. — Учитывая реальные условия, в которых формировалась молодая Земля, количество упавших на ее поверхность метеоритов определялось случайным стечением обстоятельств. Их могло быть как намного меньше, так и намного больше».

Сценарий американских ученых выглядит следующим образом. Кислород появился в земной атмосфере благодаря сине-зеленым водорослям — крошечным бактериям, обитающим в океане и существующим за счет фотосинтеза, в процессе которого углекислый газ и вода превращаются в органический углерод и свободный кислород. На молодой Земле свободный кислород сразу же вступал в реакцию с элементами, которые в то время преобладали в атмосфере, — например, с водородом или углеродом, так как около 3 млрд. лет назад земная атмосфера состояла в основном из метана — соединения углерода и водорода. В условиях, когда Солнце обогревало Землю слабее, чем сейчас, увеличение количества метана приводило к повышению температуры планеты до уровня, благоприятного для жизнедеятельности примитивных организмов. Количество метана было настолько велико, что он присутствовал даже в верхней атмосфере, где под воздействием ультафиолетового излучения разлагался на составные части. Освобождавшийся при этом водород улетучивался в межпланетное пространство.

Потеря водорода позволяла большему количеству кислорода вступать во взаимодействие с породами на поверхности Земли. Со временем это, в свою очередь, уменьшало количество водорода, который под воздействием температуры и давления выделялся из горных пород. Приблизительно 2,4 млн. лет назад наступил поворотный момент. Уменьшение содержания метана привело к ослаблению парникового эффекта. Средняя температура на Земле понизилась до 30 градусов по Цельсию. Кислород стал доминирующим элементом в земной атмосфере, прежде всего, потому, что из нее постепенно исчез водород, который был основным источником его поглощения.

«Наша работа представляет не только исторический интерес. В самом ближайшем будущем у науки появится возможность изучать планеты за пределами Солнечной системы на разных стадиях эволюции, — говорит Клер. — Понимание процессов в земной атмосфере, которые сопутствовали появлению и развитию жизни, будет иметь большое значение в поисках признаков жизни и на других планетах».