Хьюстон, 2 декабря. Ученые-геологи из Университета Райса в своем исследовании предложили новую теорию для объяснения роста концентрации кислорода в атмосфере Земли примерно 2,5 миллиарда лет назад, называемого некоторыми учеными кислородной катастрофой*. Исследование опубликовано в начале декабря в Nature Geoscience.
«Что делает данное исследование уникальным, так это не только попытка объяснить рост количества кислорода в атмосфере, ‒ сообщил руководитель исследования Джэймс Эгучи, научный сотрудник НАСА в Калифорнийском университете в Риверсайде. – Исследование, помимо всего прочего, пытается объяснить некоторые тесно связанные с геохимией вопросы, например изменение состава изотопов углерода, наблюдаемое в карбоновых отложениях в относительно короткий период времени после кислородной катастрофы». По словам Эгучи, они пытаются объяснить каждое из явлений одним механизмом, включающим глубокие недра Земли, тектонику и усиленную дегазацию диоксида углерода из вулканов.
Соавторами Эгучи выступили Раждип Дасгупта – экспериментатор и теоретик в области геохимии, профессор кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах в университете Райса, и Джонни Силс – аспирант, помогавший с моделями расчетов и проверкой новой теории.
Дасгупта является участником финансируемого НАСА исследования под названием «Умные планеты», в рамках которого изучается, как базовые для жизни элементы могут собираться вместе на далеких экзопланетах. Он старается лучше понять, как Земля стала обитаемой, что важно для изучения возможности жизни и ее эволюции на других планетах.
Ученые давно указывали на фотосинтез – процесс, создающий избыток кислорода, − как на причину роста кислорода в процессе кислородной катастрофы. Дасгупта сообщил, что новая теория не обесценивает роль, которую первые фотосинтезирующие организмы, цианобактерии, сыграли в кислородной катастрофе.
Большинство ученых полагает, что рост кислорода был связан с цианобактериями, и они не ошибаются. Появление фотосинтезирующих организмов могло привести к выделению кислорода, но куда более важен вопрос: действительно ли совпадает время появления цианобактерий со временем кислородной катастрофы? Как оказалось, нет.
Цианобактерии появились на Земле на целых 500 миллионов лет раньше предполагаемого времени кислородной катастрофы. Хотя ряд теорий и предлагает объяснение, почему мог произойти рост кислорода в атмосфере, профессор Дасгупта, по его словам, не знает, чтобы какая-то из них одновременно пыталась объяснить и изменения в соотношении изотопов углерода в минералах, начавшиеся спустя 100 миллионов лет после кислородной катастрофы. Геологи называют это «событием Ломагунди», которое длилось несколько сотен миллионов лет.
На сотню атомов углерода приходится один изотоп углерода-13, остальные 99 – изотопы углерода-12. Это соотношение 1:99 хорошо сохранилось в карбонатах, формировавшихся до и после события Ломагунди, а вот карбонаты, сформировавшиеся в течение события Ломагунди, имеют на 10% больше углерода-13.
Эгучи считает, что взрывной рост популяции цианобактерий, ассоциированный с кислородной катастрофой, давно рассматривался как процесс, сыгравший важную роль в событии Ломагунди.
По словам ученого, цианобактерии предпочитают использовать углерод-12 вместо углерода-13, и если увеличивается количество органического углерода или цианобактерий, в источниках углерода уменьшается количество углерода-12.
Согласно Эгучи, ученые пробуют этим объяснить событие Ломагунди, но время вновь и вновь создает проблемы. Когда смотришь на геологические данные, свидетельствующие об увеличении соотношения углерода-13 к углероду-12 на десятки миллионов лет позже роста уровня кислорода, сложно объяснить эти два события через изменение отношения органического углерода к карбонатам.
Сценарии, предложенные Эгучи, Дасгупта и Силсом, призваны объяснить следующие факторы.
- Резкое увеличение тектонической активности, приведшей к формированию сотен вулканов, выделявших CO2 в атмосферу.
- Потепление климата, вызвавшее дожди, которые увеличили влажность и химический распад горных пород континентов. Погода активизировала распад минералов и попадание их в океан, что способствовало активному росту цианобактерий и карбонатов.
- Попадание углерода органического и неорганического происхождения в океаны и затем через зоны субдукции – места, где океаническое плато уходит под континенты, ‒ обратно в земную мантию.
- Когда отложения оседали в мантии, неорганический углерод, содержащийся в карбонатах, имел тенденцию вновь попадать в атмосферу через извержения вулканов вблизи зон субдукции.
Органический углерод, содержащий очень мало углерода-13, оказался глубоко в мантии и появился спустя сотни миллионов лет в виде углекислого газа, выделившегося за относительно короткий промежуток вследствие извержений островных вулканов.
По словам Эгучи, перед нами вид циклического процесса. Ученый полагает, что количество цианобактерий увеличилось примерно 2,4 миллиарда лет назад и предположительно запустило рост кислорода. Но увеличение цианобактерий сбалансировано увеличением карбонатов, и, таким образом, соотношение углерода-12 и углерода-13 не изменится, пока карбонаты и органический углерод из цианобактерий не попадут вглубь Земли.
Дальше в игру вступает геохимия: эти две формы углерода находятся в мантии разное количество времени. Карбонаты легче высвобождаются в магмах и потом снова на поверхность за относительно короткий период. Событие Ломагунди начинается, когда первый углерод, обогащенный углеродом-13, возвращается на поверхность, и заканчивается, когда гораздо позже на поверхность поднимается органический углерод, обогащенный углеродом-12, восстанавливая равновесие.
Эгучи подчеркнул важную роль процессов, происходивших в глубине Земли, на процессы эволюции жизни на ее поверхности. Ученые предполагают, что эмиссия диоксида углерода была крайне важна для распространения жизни. Это демонстрирует, как глубинные процессы влияли на распространение жизни на нашей планете в прошлом.
Изложенное выше означает, что роль тектонических изменений в распространении жизни велика, но необязательно говорит о том, что это абсолютно необходимый процесс. Могли быть и другие пути для накопления и поддержания уровня кислорода, и их исследование – одна из задач проекта “Умные планеты».
* В оригинале используется термин Great Oxidation Event (GOE), дословно - Великое Событие Окисления.