Вулканический кислород

Все мы знаем, что жизнь на Земле невозможна без кислорода, которым мы дышим. А как вы думаете, откуда он вообще взялся? Совсем недавно группа исследователей из Великобритании и США во главе с Яной Мейкснеровой из Вашингтонского университета в Сиэтле пришла к выводу, что кислород в земной атмосфере мог появиться в результате извержений вулканов. Итоги работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Довольно долгое время в научном сообществе считалось, что ранняя Земля представляла собой бесплодную пустыню, на которой не было места жизни, подобно большинству других планет. И только примерно 3,8 миллиарда лет назад условия на ней стали достаточно благоприятными для зарождения живых организмов. Однако последние исследования геохимиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) показывают, что жизнь на нашей планете существовала еще до того, как Солнечная система подверглась внутренней астероидной бомбардировке, о которой сегодня напоминают гигантские кратеры возрастом около 3,9 миллиарда лет.

Исследователи изучили более 10000 образцов циркона, образовавшихся из расплавленных вулканических пород на территории Западной Австралии на заре формирования планеты. Соотношение в этих камнях углерода-12 и углерода-13 указывает на присутствие фотосинтетической жизни. Выделив 656 образцов с темными пятнышками, ученые подвергли 79 из них Раман-спектроскопии – методике, с помощью которой можно увидеть молекулярную и химическую структуру древних микроорганизмов в трехмерной модели. Оказалось, что один из образцов в двух местах имеет вкрапления графита – чистого углерода. Соотношение в минерале урана к свинцу помогло определить его возраст – 4,1 миллиарда лет. Но графит может быть и старше, чем остальные составляющие.

По всей вероятности, простейшие организмы появились на Земле почти сразу же после ее формирования, но потребовались многие миллионы лет, чтобы у них выработалась способность к фотосинтезу, благодаря чему они смогли напрямую использовать солнечную энергию. Это способствовало наполнению атмосферы кислородом (что произошло приблизительно 2,5 миллиарда лет назад) и формированию озонового слоя, поглощающего губительное ультрафиолетовое излучение.

Далее процессы симбиоза мелких клеток с более крупными привели к развитию более сложных живых клеток – эукариот. Около 2,1 миллиарда лет назад возникли многоклеточные организмы. Процесс адаптации к окружающим условиям активно продолжался. Около 1200 миллионов лет назад на Земле появились первые водоросли, а 450 миллионов лет назад – высшие растения. Появление первых беспозвоночных животных относится к эдиакарскому периоду (541-635 миллионов лет до нашей эры), а появление первых позвоночных – к кембрийскому взрыву (525 миллионов лет назад). После чего жизнь продолжала непрерывно эволюционировать, несмотря на несколько периодов массового вымирания в связи с различными катаклизмами, сотрясавшими планету.

Анализ содержания и изотопных параметров ртути в древних сланцах вулканического происхождения с платформы Пилбара в Западной Австралии, возраст которых составляет около 2,5 миллиарда лет, проведенный группой Яны Мейкснеровой, показал, что существует связь между вулканизмом и ранними всплесками концентрации кислорода в земных океанах в архейскую эру. Выветривание базальтов привело к тому, что в океанскую среду поступало значительное количество фосфора и других питательных веществ. Это вызвало рост популяций морских цианобактерий, которые в свою очередь с помощью фотосинтеза вырабатывали кислород и выбрасывали его в атмосферу. Хотя точно неизвестно, где именно это происходило, большие лавовые поля такого возраста сохранились на территории Индии, Канады и в некоторых других местах земного шара.

Таким образом, первичная атмосфера Земли сформировалась в ходе дегазации недр и состояла из водяных паров, углекислоты, метана, аммиака, сероводорода и других водородных соединений.

Однако устойчивой по своему составу атмосфера нашей планеты стала только в начале эры протерозоя, от 2,45 до 2 миллиардов лет назад. В этот период концентрация кислорода установилась на уровне точки Пастера и составляла около одного процента от современного уровня. Это способствовало тому, что так называемые анаэробные организмы, способные существовать как в бескислородной, так и в кислородной среде, смогли перейти от ферментации (брожения) к энергетически более выгодному способу дыхания. Позднее данный этап атмосферной эволюции атмосферы назовут Великим кислородным событием.

Процесс перехода не совершился одномоментно, он был довольно-таки длительным и изначально не носил глобальных масштабов. И здесь сыграли значительную роль геологические явления, в первую очередь вулканическая активность. Изотопный анализ вулканических сланцев позволяет составить представление о том, как в архее стимулировались всплески биологической активности, приводившие к образованию «кислородных карманов» в атмосфере.

По словам авторов исследования, открытие может изменить научные представления о том, как формировалась атмосфера нашей планеты. Кроме того, считают эксперты, оно способно пролить свет на механизмы климатических изменений и наличие существования живых организмов вне Земли.

Кстати, в июне 2012 года стереокамера космического зонда Mars Express зафиксировала на Красной планете, в районе гор Харит, расположенных неподалеку от кратера Гейла и бассейна Аргир, область, где имеются яркие участки, напоминающие поверхность, покрытую снегом. Ученые выяснили, что на самом деле такой эффект дает замерзший диоксид углерода, нам известный больше как углекислый газ, который мы выдыхаем в атмосферу. Откуда же он мог взяться на Марсе? Это прежде всего лишний повод поговорить об обитаемости Красной планеты. Или о том, что она когда-то была обитаемой… Мол, ее жители, так же как и мы, вдыхали кислород и выдыхали СО2, а потом на планете изменился климат, марсиане исчезли, а газ замерз и осел на поверхности…

Так что земная история, возможно, не уникальна, и новые научные открытия лишь доказывают, что жизнь способна существовать в самых разных местах Вселенной.