В атмосфере содержится около 21 процент кислорода, необходимого для поддержания жизни на Земле. Тем не менее, миллиарды лет назад кислород практически отсутствовал, а углекислый газ был преобладающим компонентом. Ученые на протяжении долгого времени пытаются выяснить, каким образом образовался кислородный слой, который стал катализатором эволюции сложных организмов. Японские исследователи установили, что значительное влияние оказала интенсивная вулканическая деятельность, инициировавшая последовательность процессов, создавших условия для возникновения кислорода.
По мнению многих ученых, концентрация кислорода в атмосфере Земли увеличивается в позднем архее, почти 2,5 миллиарда лет назад. Это, вероятно, стало возможным благодаря стремительному увеличению численности микроорганизмов, осуществляющих фотосинтез. Их распространение объясняют благоприятными условиями окружающей среды и отсутствием конкуренции. В истории нашей планеты этот период называют кислородной катастрофой, великое окисление — это глобальное изменение состава атмосферы, ознаменовавшее появление свободного кислорода и повлекшее за собой общие изменения, преобразовавшие атмосферу из восстановительной в окислительную.
Первые фотосинтезирующие организмы — цианобактерии (цианобактерии осуществляли преобразование углекислого газа в кислород, который затем высвобождался в атмосферу. Ранее в атмосфере кислорода практически не было, и большая часть живых организмов были анаэробными (эти организмы не нуждаются в кислороде. Повышение концентрации кислорода привело к вымиранию многих из них, а также к существенным изменениям на Земле, что способствовало появлению и развитию более сложных форм жизни.
Однако в предыдущих научных исследованиях предполагалось, что до кислородной катастрофы в атмосфере происходили эпизодические увеличения концентрации кислорода — «всплески» (цианобактерии появились задолго до масштабного окисления, но почему же формирование кислородной атмосферы происходило столь медленно?
Команда японских ученых во главе с Эйити Тадзики ( Eiichi Tajika), заведующий кафедрой наук о Земле в Токийском университете, высказал предположение о причинах этих «всплесков» и о том, какие события предшествовали насыщению атмосферы кислородом. Согласно мнению ученых, вулканическая деятельность могла создать условия для формирования кислородной атмосферы. Это утверждается в статье, опубликованной в журнале Communications Earth & Environment.
«Океанические организмы оказали значительное влияние на формирование атмосферного кислорода. Однако, как и любому производителю, им требовались ресурсы и необходимые компоненты. Суть проблемы заключалась в дефиците «инструментов», то есть питательных веществ, таких как фосфаты, для цианобактерий. Без этих элементов организмы были не в состоянии функционировать в полную силу и насыщать атмосферу кислородом. В результате возникла ситуация, при которой цианобактерии были готовы к производству кислорода, но испытывали недостаток в питании. Наши модели указывают на то, что глобальные геологические изменения, включая рост континентов и масштабные вулканические извержения, способствовали разрешению этой проблемы», — объяснил Тадзика.
С помощью числового моделирования ученые исследовали биологические, геологические и химические преобразования, характерные для позднего архейского эона (период от 3,0 до 2,5 миллиарда лет назад).
Согласно результатам моделирования, около трех миллиардов лет назад Земля, вероятно, переживала период интенсивной вулканической деятельности. Извержения приводили к выбросу в атмосферу значительного количества углекислого газа, что вызывало потепление климата. Этот процесс стимулировал интенсивное разрушение горных пород на формирующихся континентах, и реки переносили фосфаты и другие вещества из них в океан, где они служили источником питания для быстрого размножения живых организмов. Впоследствии в атмосфере началось накопление кислорода, хотя и на непродолжительный период.
Авторы недавнего научного исследования утверждают, что накопление кислорода происходило неравномерно: его концентрация увеличивалась скачками в моменты повышенной вулканической активности и снижалась при затухании извержений. Эти изменения отразились в геологических слоях — породах, содержащих необычные количества элементов, реагирующих на кислород.
«Нестабильность поступления питательных веществ в океан обуславливает наблюдаемые колебания. Фотосинтезирующие бактерии способны к быстрому увеличению численности, однако последующее исчерпание ресурсов приводит к повторному снижению уровня кислорода.
Исследование, проведенное командой Тадзики, позволит глубже понять формирование современной атмосферы Земли. Ученые полагают, что переход к кислородной среде был непростым и включал в себя несколько последовательных этапов. Вулканическая активность оказывала влияние не только на климат, но и создавала благоприятные условия для возникновения фотосинтезирующих организмов. Именно эти процессы сделали нашу планету пригодной для жизни в том виде, в котором мы ее знаем сегодня. По мнению авторов, без вулканической активности Земля могла бы оставаться безжизненной пустыней на протяжении миллиардов лет.