Около 2,4 млрд лет назад атмосфера Земли резко изменилась – содержание кислорода в ней увеличилось на порядки. Эта теория сейчас является уже общепринятой. «Кислородный всплеск» стал важнейшей вехой в истории Земли: именно кислородная атмосфера сделала возможным появления разнообразных сложных форм жизни на планете.
Однако до сих пор оставались неразрешенными два важнейших вопроса: когда на Земле началось активное производство кислорода с помощью фотосинтеза растений и когда кислород начал изменять химию процессов в атмосфере планеты и в мировом океане.
Недавние исследования показали, что фотосинтетический кислород появился в атмосфере Земли по меньшей мере за 100 млн лет до «кислородного всплеска». Кроме того, влияние на химию мирового океана способны оказывать даже следовые количества кислорода. Результаты исследования опубликованы в последнем номере Science.
Американские ученые проанализировали отложения черных сланцев в Восточной Австралии. По своему происхождению этот минерал – ископаемые фрагменты древнего морского дна. Слой за слоем эти отложения собирали информацию о составе древнего океана, а теперь ученые могут расшифровать эту временную «томограмму».
Масс-спектрометрическое исследование сланцев показало, что пиковые концентрации сероводорода в нижних слоях гидросферы (где кислорода нет) появились за 100 млн до «кислородного всплеска».
Согласно современным представлениям, в течение большей части 4,6 млрд лет истории Земли и до роста концентрации кислорода океан был насыщен растворенным железом. Кроме того считалось, что для достижения высокой концентрации сульфидов в нижних слоях гидросферы необходимо высокое содержание кислорода в атмосфере. Однако теперь понятно, что это не так. За 100 млн лет до «кислородного всплеска» содержание О2 в атмосфере было в сто тысяч раз меньше, чем сейчас – а сульфиды на дне океана уже были.
Ученые считают, что в этой ситуации источником сероводорода на дне океана являлись минералы с суши. В частности пирит (FeS2) успешно «смывался» с континентов в океан реками. Он и создавал повышенную концентрацию ионов железа и сульфид-ионов.
Кроме того, изменение концентрации сульфид-ионов служит «отпечатком пальцев» процесса фотосинтеза. Ученые считают, что активный фотосинтез начался 2,6 млрд лет назад. Однако концентрация кислорода в атмосфере возросла не сразу, потому что весь производимый кислород расходовался на окислительные реакции. Присутствие малых количеств кислорода в атмосфере стимулировало эволюцию эукариотов (организмов с клеточным ядром) за миллионы лет до «кислородного всплеска». Именно этот процесс стал толчком дальнейшего бурного развития животного мира.
Это открытие имеет важное приложение и в контексте поиска жизни на планетах вне Солнечной системы. С одной стороны, подтверждена гипотеза о биосинтезе кислорода как необходимом условии эволюции сложных живых организмов. С другой стороны, отсутствие кислорода в спектральном составе атмосферы планеты еще не говорит о том, что биологические процессы производства кислорода полностью отсутствуют.