Раскрыта тайна земного кислорода

«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».