Моделирование показало наличие кислорода в архейской атмосфере Земли

Ученым удалось смоделировать уровень кислорода на основе выявленных в залежах оксидов молибдена, серы и железа. Так они выяснили, что от 3,2 до 2,5 миллиарда лет назад парциальное давление кислорода в атмосфере был в миллионы раз ниже, чем сейчас, но не было совсем нулевым. Поэтому говорить о бескислородной атмосферы в архейский период теперь не приходится. Сценарии того, как происходило обогащение кислородом опубликованы в журнале Advanced Science. Большое кислородное событие — одно из важнейших событий в истории Земли, произошедшей между 2,2 и 2,4 миллиарда лет назад. Доля свободного молекулярного кислорода в атмосфере Земли росла с увеличением живых организмов, способных к фотосинтезу. В результате стало возможным дыхание и возникли условия для эволюции аэробных организмов, к которым относятся и люди. Когда возникла концепция Великого кислородного события, то считали, что она имела чрезвычайно положительное влияние на эволюцию и поэтому ее назвали Большой кислородной революцией. Впрочем, учитывая, какое количество анаэробных организмов не было приспособлено к обогащенной кислородом гидросфере и атмосфере и просто вымерла, событие стали называть Большой кислородной катастрофой. В конце концов в литературе начала доминировать нейтральное название Большое кислородное событие (ВКП).

Учитывая то, какое значение имеет ВКП на эволюцию жизни на Земле, очень важным является вопрос о том, насколько было изменение содержания свободного кислорода в атмосфере. В том, что археи кислорода почти не было — сомнений нет. Об этом ярко свидетельствуют залежи не окисленных серо и железосодержащих минералов, которые просто не могли образоваться в условиях обогащенной кислородом атмосферы и гидросферы, потому что эти элементы слишком легко окисляются. Но на основе этих данных до сих пор была оценена только верхнего предел содержания кислорода в атмосфере. Парциальное давление кислорода в атмосфере в это время не могло быть выше ¹⁰⁻⁶ современного его содержания.

А вот нижнюю границу к текущей публикации исследователей из Университета Аризоны никто не оценивал, поэтому принято было считать, что это содержание практически равно нулю. Но в новом исследовании ученые составили компьютерную модель архейской атмосферы Земли и пересмотрели роль колебания молибдена в не окисленных минералах архейских залежей. Они могут свидетельствовать не о колебаниях содержания кислорода в атмосфере, а о колебаниях и выбросах серы и железа.

Содержание молибдена в залежах четко свидетельствует о наличии в атмосфере и гидросфере кислорода. Основной механизм откладывания этого металла в донных залежах связан именно с его окислением, поэтому при наличии этих залежей можно легко оценить минимально необходимое для их образования парциальное давление O2 в атмосфере. Также в этом очень помогают залежи серы. На основе этих данных исследователями были определены два сценария того, каким образом происходило обогащение атмосферы Земли кислородом в период до Великого кислородного события.

Согласно первому сценарию присутствие кислорода в атмосфере Земли была хоть и очень небольшое, но глобальное. Согласно этому сценарию была смоделирована ситуация, в которой уровень окисления серы и молибдена был бы таким, какой наблюдается. Исследования были разбиты на периоды и в каждом из них вычислили содержание молибдена в морской воде как свидетельство степени насыщения кислородом среды. Так удалось установить нижний предел парциального давления того периода. По мнению ученых, на протяжении всех палеоархейських и мезархейських эр парциальное давление кислорода в атмосфере составляло от ¹⁰⁻⁷ до¹⁰⁻⁶ от современных показателей. Она хорошо согласуется с оцененной ранее верхней границей. Кислорода даже в те времена было в миллионы раз меньше, но не в миллиарды и не в десятки миллионов раз. А непосредственно перед ВКП его содержание начал существенно расти и продолжалось это десятки и сотни миллионов лет.

Второй сценарий, предложенный в статье предлагает ситуацию, когда присутствие кислорода в атмосфере в археи было не глобальной, а локальной. То есть этот газ присутствовал у истоков его выделения — в первую очередь, — мелководных морях, в которых уже существовали организм. Сам фотосинтез возник задолго до ПКП, просто не был распространенным, поэтому такому сценарию не стоит удивляться. Авторы публикации отмечают, что этот сценарий кажется им более вероятным, учитывая свойства кислорода. В таком случае ключевым становится вопрос, достаточно было бы локальной выработки кислорода живыми организмами для достижения того уровня окисления архейских пород, который наблюдается?

Сценарий локальных источников кислорода в архейской зоне предусматривает, что они достаточно мало влияло на глобальную композицию атмосферы Земли. Вместе с тем в малых масштабах окисления источников О2 происходило с момента возникновения фотосинтеза у цианобактерий, поэтому совсем незнакомыми с этим веществом организмы ни были. А в не архей, по крайней мере за 100мил. лет до общепризнанного начала ВКП роль этих местных источников кислорода начала ощутимо расти. О возможном влиянии на живые организмы авторы публикации не говорят, однако отмечают, что говорить об архей как об эпохе полного отсутствия в атмосфере Земли кислорода теперь не стоит.

Перевод материала nauka.ua