Атмосфера Земли лишилась кислорода

Группа исследователей из Дании, Великобритании и Уругвая, которой руководил профессор Роберт Фрей (Robert Frei) из Копенгагенского университета (Kebenhavns Universitet, www.ku.dk), впервые сумела восстановить детальную картину появления у Земли кислородной атмосферы и выявить факт временного падения уровня содержания кислорода около двух миллиардов лет назад. Всего новый анализ охватывает период в 3,8 млрд лет (публикация в журнале Nature, www.nature.com/doifinder/10.1038/nature08266).

Согласно прежним геохимическим исследованиям, кислород в изначально безкислородной земной атмосфере стал накапливаться 2,45-2,2 млрд лет назад (в начале протерозоя). Это событие геологи почтительно называют Великой Кислородной Катастрофой или Глобальным Окислением (Great Oxidation Event — GOE). Следующий заметный (почти «взрывной», по геологическим понятиям) рост содержания кислорода в атмосфере наблюдался примерно 750 млн лет назад. Выяснить, как именно колебался уровень 02 в промежутке между этими событиями, до последнего времени не удавалось. Попытки использовать в качестве «маркеров» изотопы молибдена, рения и других металлов давали весьма противоречивые результаты. Оставалось непонятным, когда кислород впервые начал накапливаться в атмосфере, каковы были темпы этого накопления и не было ли периодов, когда уровень кислорода, наоборот, снижался. Между тем, вопрос о накоплении кислорода необычайно важен, поскольку он тесно связан с процессом появления и дальнейшей эволюцией жизни на нашей планете.

Группа Фрея провела свой анализ, изучив содержание разных изотопов хрома в древних океанических осадочных слоях, богатых железом. Им удалось, в частности, показать, что повышение уровня атмосферного кислорода 580 млн лет назад совпало с важнейшими эволюционными изменениями в земной фауне — появлением первых крупных и достаточно сложно развитых живых организмов, вышедших со временем на сушу.

По мнению Фрея и его коллег, кислород появился в поверхностных водах океана уже 2,8-2,6 млрд лет назад — это по крайней мере на 200 млн лет раньше, чем результаты других изотопных методов. Однако самым удивительным выводом можно считать утверждение, согласно которому около 1,9 млрд лет назад уровень содержания кислорода внезапно сократился едва ли не до того ничтожного количества, которым атмосфера Земли обходилась до Великой Кислородной Катастрофы (менее 1% от сегодняшнего уровня). То есть поступление кислорода в атмосферу на ранних этапах существования нашей планеты было весьма нестабильным (а в дальнейшем содержание кислорода уже никогда не снижалось столь заметным образом).

Метод, использованный в данной работе для индикации количества кислорода в атмосфере Земли, основан на наблюдаемой зависимости степени мобильности хрома и его соединений от концентрации атмосферного кислорода. Если количество кислорода в атмосфере уменьшается, то происходит связывание хрома в горных породах, в ходе которого каждый атом хрома теряет по три электрона и происходит его окисление (в наиболее устойчивых соединениях хрома степень его окисления составляет +3 (Сг3+)).

Наоборот, когда уровень кислорода растет, металлический марганец, содержащийся в тех же породах, может превращаться в оксид марганца, который в свою очередь забирает электроны у связанных атомов хрома, переводя его в 6-валентное состояние (Сг6+). В результате максимально окисленные формы хрома с большой вероятностью будут вымываться дождевой водой и попадать в океан. Оказавшись там, хром реагирует с железом и включается в состав его соединений в своей наиболее устойчивой форме +3.

Важно отметить, что тяжелый изотоп хрома (Cr-53) в большей степени вымывается из пород в океан, чем более легкий Cr-52. Значит, путем сравнения относительных количеств тяжелых и легких изотопов хрома в железистых кварцитах можно выяснять, сколько именно кислорода было в атмосфере в то время, когда эти изотопы содержались в связанном состоянии в скальных породах.

Конечно, общая картина взаимодействия хрома с оксидами марганца, железа и др. может быть сложнее, и процессы выветривания хрома должны быть дополнительно исследованы для того, чтобы все выводы, содержащиеся в данной работе, стали бесспорными. Однако важно уже то, что теперь ученым впервые удалось не просто определить общую тенденцию, связанную с накоплением кислорода, но и отследить колебания уровня его содержания в атмосфере.

Следующий естественный вопрос: насколько тесно связаны эти колебания с появлением и развитием первых живых организмов, способных к фотосинтезу? (По всей видимости, первоначально это были так называемые анаэробные микроорганизмы, не нуждающиеся в кислороде для фотосинтеза и, наоборот, высвобождающие его из соединений с углеродом.) К сожалению, окончательного ответа на этот вопрос пока не получено.

Максим Борисов

1. Chromium isotopes track oxygen’s rise (Nature News)
   www.nature.com/news/2009/090909/full/news.2009.901.html
2. Ancient oceans offer new insight into the origins of animal life (Newcastle University)
   www.physorg.com/news171722551.html