Уровень кислорода на ранней Земле несколько раз повышался и падал до Великого кислородного события
Новое исследование Вашингтонского университета показывает, что уровень кислорода на Земле повышался и понижался неоднократно за сотни миллионов лет до глобального успеха Великого кислородного события около 2,4 миллиарда лет назад.
Доказательства этого получены в новом исследовании, которое указывает на второй и гораздо более ранний «всплеск» кислорода в далеком прошлом Земли — в атмосфере и на поверхности обширной акватории океана. Это демонстрирует, что оксигенация Земли была сложным процессом повторяющихся попыток и неудач на протяжении огромного отрезка времени.
Это открытие также может иметь значение для поиска жизни за пределами Земли. В ближайшие годы появятся мощные новые наземные и космические телескопы, способные анализировать атмосферы далеких планет. Эта работа может помочь астрономам избежать необоснованного исключения «ложноотрицательных» результатов, то есть обитаемых планет, которые на первый взгляд могут таковыми не казаться из-за необнаруживаемого уровня кислорода.
«Производство и разрушение кислорода в океане и атмосфере с течением времени было войной без явных признаков победителя, вплоть до Великого кислородного события», — сказал Мэтт Келер, докторант Вашингтонского университета в области наук о Земле и космосе, ведущий автор новой статьи, опубликованной на неделе 9 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences. — «Эти кратковременные события оксигенации были битвами в этой войне, когда баланс смещался в пользу оксигенации».
В 2007 году соавтор Роджер Бьюик, профессор наук о Земле и космосе Вашингтонского университета, входил в международную группу ученых, обнаруживших свидетельства эпизода — «всплеска» — кислорода примерно за 50–100 миллионов лет до Великого кислородного события. Они узнали это, пробурив глубоко в осадочную породу сланца Маунт-Макрей в Западной Австралии и проанализировав образцы на следовые металлы молибден и рений, накопление которых зависит от наличия кислорода в среде.
Теперь команда под руководством Келера подтвердила второе такое появление кислорода в прошлом Земли, на этот раз примерно на 150 миллионов лет раньше — или около 2,66 миллиарда лет назад — длившееся менее 50 миллионов лет. Для этой работы они использовали два разных индикатора присутствия кислорода — изотопы азота и элемент селен.
«В этой статье мы представляем еще одно высокоточное обнаружение кратковременного всплеска кислорода», — сказал Келер. — «Изотопы азота рассказывают историю об оксигенации поверхностного океана, и эта оксигенация охватывает сотни километров по морскому бассейну и длится где-то менее 50 миллионов лет».
Команда проанализировала образцы бурения, взятые Бьюиком в 2012 году на другом участке в северо-западной части Западной Австралии, называемом формацией Джерина. Исследователи пробурили два керна на расстоянии около 300 километров друг от друга, но в одних и тех же осадочных породах — один керн отбирал отложения, отложившиеся на мелководье, а другой — отложения из более глубоких вод. Анализ последовательных слоев в породах показывает, по словам Бьюика, «постепенное» изменение изотопов азота «и затем снова возврат к нулю. Это можно интерпретировать только как наличие кислорода в среде. Это действительно круто — и это внезапно».
Изотопы азота раскрывают активность определенных морских микроорганизмов, которые используют кислород для образования нитратов, и других микроорганизмов, которые используют эти нитраты для получения энергии. Данные, собранные по изотопам азота, относятся к поверхности океана, в то время как селен указывает на кислород в воздухе древней Земли. Келер отметил, что в то время глубинный океан, вероятно, был бескислородным.
Команда обнаружила обильное количество селена только в мелководной скважине, что означает, что он попал с близлежащей суши, но не достиг более глубокой воды. Селен содержится в серных минералах на суше; более высокое содержание атмосферного кислорода привело бы к большему выщелачиванию селена с суши посредством окислительного выветривания — «ржавления горных пород», как сказал Бьюик — и переносу в море.
«Этот селен затем накапливается в океанических отложениях», — пояснил Келер. — «Поэтому, когда мы измеряем всплеск содержания селена в океанических отложениях, это может означать, что произошло временное увеличение содержания атмосферного кислорода».
По словам Бьюика и Келера, это открытие также имеет значение для обнаружения жизни на экзопланетах.
«Считается, что одним из самых сильных атмосферных биосигналов является кислород, но это исследование подтверждает, что во время перехода планеты к постоянной оксигенации ее поверхностные среды могут быть насыщены кислородом лишь в течение интервалов в несколько миллионов лет, а затем снова погружаться в аноксию», — сказал Бьюик.
«Таким образом, если вы не обнаруживаете кислород в атмосфере планеты, это не означает, что планета необитаема или даже что на ней нет фотосинтезирующей жизни. Просто на ней еще не накопилось достаточно источников кислорода, чтобы преодолеть «стоки» на срок более короткого интервала. Другими словами, отсутствие кислорода легко может быть «ложноотрицательным» результатом для жизни».
Келер добавил: «Вы можете смотреть на планету и не видеть кислорода — но она может кишеть микробной жизнью».