Геологія
Геологія

Моделювання показало наявність кисню в архейській атмосфері Землі

Сучасний рівень кисню на Землі пов'язують із Великою кисневою подією, коли вміст кисню різко збільшився. Вченим вдалося змоделювати рівень кисню до неї на основі виявлених у покладах оксидів молібдену, сірки та заліза. Так вони з'ясували, що від 3,2 до 2,5 мільярди років тому парціальний тиск кисню в атмосфері був у мільйони разів нижчим, ніж зараз, але не був зовсім нульовим. Тож говорити про повністю безкисневу атмосферу в архейському еоні тепер не доводиться. Сценарії того, як відбувалося збагачення киснем до Великої кисневої події опубліковані у журналі Advanced Science.

Уявлення художника про Землю до Великої кисневої події. Tim Bertelink / Wikimedia Commons

Уявлення художника про Землю до Великої кисневої події. Tim Bertelink / Wikimedia Commons

Якою була архейська атмосфера?

Велика киснева подія – одна із найважливіших подій в історії Землі, що сталася між 2,2 та 2,4 мільярда років тому. Частка вільного молекулярного кисню в атмосфері Землі росла зі збільшенням живих організмів, здатних до фотосинтезу. Внаслідок цього стало можливим дихання і виникли умови для еволюції аеробних організмів, до яких належать і люди. Коли виникла концепція Великої кисневої події, то вважали, що вона мала надзвичайно позитивний вплив на еволюцію і тому назвали Великою кисневою революцією. Втім, врахувавши, яка кількість анаеробних організмів не була пристосована до збагаченої киснем гідросфери та атмосфери й просто вимерла, подію стали називати Великою кисневою катастрофою. Зрештою у літературі почала домінувати нейтральна назва Велика киснева подія (ВКП).

З огляду на те, яке значення має ВКП на еволюцію життя на Землі ,дуже важливим є питання про те, наскільки різкою насправді була зміна вмісту вільного кисню в атмосфері. У тому що в архейський еон кисню майже не було — сумнівів немає. Про це яскраво свідчать поклади неокислених сірко- та залізовмісних мінералів, які просто не могли утворитися в умовах збагачених киснем атмосфери та гідросфери, бо ці елементи занадто легко окиснюються. Але на основі цих даних досі була оцінена тільки верхня межа вмісту кисню в атмосфері. Парціальний тиск кисню в атмосфері в цей час не міг бути вищими за ¹⁰⁻⁶ сучасного його вмісту.

А ось нижню межу до поточної публікації дослідників з Університету Аризони ніхто не оцінював, бо прийнято було вважати цей вміст практично рівним нулю. Але у новому дослідженні склали комп’ютерну модель архейської атмосфери Землі та переглянули роль коливання молібдену у неокиснених мінералах архейських покладів. Так вони можуть свідчити не про коливання вмісту кисню в атмосфері, а про коливання у викидах самих сірки та заліза.

Скільки могло бути кисню?

Вміст молібдену у покладах чітко свідчить про наявність в атмосфері та гідросфері кисню. Основний механізм відкладання цього металу у донних покладах пов’язаний саме із його окисненням, тож за наявністю цих покладів можна легко оцінити мінімально необхідний для їх утворення парціальний тиск O2 у атмосфері. Також у цьому дуже допомагають поклади сірки. На основі цих даних дослідниками було визначено два сценарії того, яким чином відбувалося збагачення атмосфери Землі киснем у період до Великої кисневої події.

Відповідно до першого сценарію присутність кисню в атмосфері Землі була хоч і дуже невеликою, але глобальною. Відповідно до цього сценарію було змодельовано ситуацію, у який рівень окиснення сірки та молібдену був би таким, який спостерігається. Досліджуваний час було розбито на періоди і у кожному із них вирахували вміст молібдену у морській воді як свідчення ступеню насичення киснем середовища. Так вдалося встановити нижню межу парціального тиску того періоду. На думку вчених, упродовж усіх палеоархейської та мезархейської ер парціальний тиск кисню у атмосфері становив від ¹⁰⁻⁷ до¹⁰⁻⁶ від сучасних показників. Вона добре узгоджується із оціненою раніше верхньою межею, а у неоархеї, безпосередньо перед Великою кисневою подією нижня її оцінка взагалі впритул наблизилася до верхньої. Тобто кисню навіть у ті часи було у мільйони разів менше, але не у мільярди й не у десятки мільйонів раз. А безпосередньо перед ВКП його вміст почав суттєво зростати й тривало це десятки і сотні мільйонів років.

Другий сценарій, запропонований у статті пропонує ситуацію, коли присутність кисню в атмосфері в архейський еон була не глобальною, а локальною. Тобто цей газ був присутній біля джерел його виділення – у першу чергу, — мілководних морів, у яких вже існували організми, що освоїли фотосинтез. Сам фотосинтез виник задовго до ВКП, просто не був поширеним, тож такому сценарію не варто дивуватися. Автори публікації зазначають, що цей сценарій видається їм більш імовірним з огляду на властивості кисню. У такому випадку ключовим стає питання, чи достатньо було б локального вироблення кисню живими організмами для досягнення того рівня окиснення архейських порід, який спостерігається?

Чи могли живі організми підтримувати кисень?

Сценарій локальних джерел кисню в архейському еоні передбачає, що вони достатньо мало впливали на глобальну композицію атмосфери Землі. Разом із тим у малих масштабах окислення для джерел О2 відбувалося із моменту виникнення фотосинтезу у ціанобактерій, тож зовсім незнайомими із цією речовиною організми не були. А у неоархеї, принаймні за 100 мільйонів років до загальновизнаного початку ВКП роль цих місцевих джерел кисню почала відчутно зростати. Про можливий вплив на живі організми автори публікації не говорять, однак зазначають, що говорити про архейський еон як про епоху повної відсутності в атмосфері Землі кисню тепер не варто.