Результаты исследования архейских пород в Австралии, полученные двумя группами ученых, отодвинули время появления свободного кислорода на Земле на 50–100 миллионов назад. Изучив почти километровую последовательность осадочных пород из бассейна Хамерсли в Западной Австралии, учёные нашли следы присутствия небольшого, но хорошо заметного количества кислорода в океане и атмосфере 2,5 миллиарда лет назад. А вот до этого времени формирование изученных пород происходило в условиях бескислородной окружающей среды.
Почти половина тех 4,56 миллиарда лет, что существует Земля, прошли без свободного кислорода в её атмосфере. Газ был связан водородом в воде, кремнием в кремнеземе и другими элементами в различных минералах. Затем произошло «великое окисление атмосферы» — резкий скачок содержания кислорода в атмосфере до так называемой точки Пастера, когда его содержание достигло уровня 1% от нынешнего.
Как время, так и причины этого важнейшего в истории развития биосферы события до сих пор вызывают многочисленные споры исследователей. До сих пор наиболее достоверным периодом резкого повышения содержания кислорода в атмосфере считали конец архейского эона около 2,4 миллиарда лет тому назад. Далеко не все эксперты соглашались с этой точкой зрения, то отодвигая этот рубеж до 2,7 миллиарда, то приближая до 2,2 миллиарда лет назад. Впрочем, все «неканонические» оценки были основаны скорее на спорных моделях, чем на бесспорных геологических свидетельствах.
Кроме того, непонятно, почему кислорода не было раньше. Уже в архее на Земле в большом количестве присутствовали бактерии. Что же, они просто не научились ещё к тому времени производить кислород или он тут же связывался вулканическими газами и другими породами вместо того, чтобы наполнять атмосферу?
Теперь дата появления кислорода в атмосфере смещена по меньшей мере на 50 миллионов лет в прошлое от «великого окисления».
«Похоже, нам удалось зафиксировать временной отрезок до 2,4 миллиарда лет назад, в течение которого действительно менялось содержание кислорода», — говорит биогеохимик Ариэль Анбар из Университета штата Аризона. Анбар возглавлял одну из групп исследователей, результаты работы которых представлены в последнем номере журнала Science. Он также является соавтором другой работы того же номера, в которой учёные под руководством геолога Алана Кауфмана из Мэрилендского университета приходят к сходным выводам.
Исследователи изучали керн длиной 908 метров, полученный при бурении скважины в бассейне Хамерсли Западной Австралии. Они занимались насыщенными органикой глинистыми сланцами и карбонатными породами позднего архея, слагавшими верхние 200 метров керна. Группа Анбара определяла следы рения, молибдена и урана — металлов, содержание которых в осадках зависит от количества кислорода в окружающей среде. В свою очередь, Кауфман с коллегами разработали метод, позволяющий связать изменения окислительных условий в океане и атмосфере с изотопным составом серы в породах.
На основе анализа австралийского керна Кауфман пришёл к выводу, что уже за 50–100 миллионов лет до общепринятой даты в атмосфере появился кислород — в небольшом, но вполне заметном количестве. Однако его метод новый, и для полной уверенности в справедливости этих результатов требовалось независимое подтверждение.
Такое подтверждение нашли Анбар и его аспирант Юнь Дуань — оказалось, что ровно в то же время поменялось и содержание в породе редких металлов.
По мнению исследователей, это свидетельствует о разрушении континентальных пород в условиях кислородной атмосферы и сносе продуктов выветривания, в том числе и этих редких элементов, на мелководье.
К сожалению, на Земле невелико число мест, где можно получить аналогичную по возрасту последовательность неизменных пород. Сравнив свои данные с результатами исследований архейских пород Южной Африки, ученые установили, что появление заметного количества свободного кислорода имело глобальный характер и произошло по меньшей мере за 50 миллионов лет до того, как содержание газа резко увеличилось. Более того, в более ранних породах следов свободного кислорода нет.
Причины такого поведения пока до конца не понятны. Ясно одно: простейшая картина, согласно которой в конце архея появились способные к фотосинтезу живые организмы, мгновенно (по геологическим меркам) насытившие атмосферу кислородом, нуждается в уточнении. Кто-то или что-то начало потихоньку выделять свободный кислород ещё за 50 миллионов лет до «великого окисления» атмосферы. Кто или что — только предстоит выяснить.