Как на Земле появился кислород: необычная теория
Атмосфера ранней Земли представляла собой смесь водяного пара, углекислого газа, аммиака, сероводорода и метана. Затем, около 2,4 миллиарда лет назад, уровень кислорода в атмосфере внезапно повысился. Еще через миллиард лет последовали еще два выброса кислорода в атмосферу. Один из них произошел около 800–540 миллионов лет назад. Уровень кислорода в атмосфере составил 10–50% от сегодняшнего. Насытилась им и поверхность океанов. Другой выброс произошел примерно 450–400 миллионов лет назад. Тогда уровень кислорода поднялся до современного, а столь важный для жизни газ проник уже и в глубины океана.
Подобные всплески уровня кислорода требуют объяснения. Одни ученые считают, что причиной тому тектонические явления — образование суперконтинентов, поднятие и выветривание гор, а также извержения. Любой из этих процессов способен спровоцировать выброс огромного количества питательных веществ в океаны, способствуя увеличению популяции водорослей. Другие ученые предполагают, что три всплеска уровня кислорода соответствуют трем важным эволюционным прорывам: увеличению числа фотосинтезирующих водорослей, расцвету этих водорослей и росту числа наземных растений.
Простого биогеохимического цикла Земли — рециркуляции углерода, кислорода и фосфора — достаточно, чтобы поднять уровень кислорода на планете.
Исследователи создали простую компьютерную модель, чтобы рассмотреть, как углерод, кислород и фосфор перемещаются по Земле и взаимодействуют друг с другом.
Фосфор, присутствующий только в камне, является ключевым питательным веществом для различных существ от микробов до водорослей и растений. Фосфор, выветрившийся из породы в океанскую воду, может стимулировать микробную и водорослевую активность, что, в свою очередь, делает воду бедной кислородом или токсичной и вытягивает больше кислорода из донных отложений. В конце концов, это приводит к тому, что в почву попадает больше органического углерода, а кислорода становится больше. Затем процесс, в ходе которого часть кислорода поднимается из воды в атмосферу, повторяется.
Постепенное охлаждение планеты также сыграло свою роль в деле повышения уровня кислорода. Ранняя земная атмосфера теряла кислород в результате химических реакций. Остывающая Земля выпускала в атмосферу меньше газов. Возможно, изменился и химический состав выбросов. В итоге химические процессы, уничтожающие кислород, прекратились.
Созданная компьютерная модель позволила воссоздать процессы, которые длились миллиарды лет, насыщая кислородом атмосферу и воду. Результаты оказались весьма правдоподобными и сошлись с фактическими данными уровня кислорода на Земле. «Мы пришли к выводу, что никаких глобальных тектонических или биологических событий не требовалось. Для появления мира с высоким содержанием кислорода не нужны сложные формы жизни. Если у вас есть лишь простые фотосинтезирующие бактерии, которые существовали на Земле в течение трех миллиардов лет, вы могли бы получить современный уровень кислорода» — говорит биогеохимик и специалист по моделированию из Университета Лидса в Англии Бенджамин Миллс. К слову, до сих пор подобные исследования не рассматривали роль фосфора.
Результаты исследования пригодятся тем, кто ищет жизнь на других планетах. Как отметил астробиолог и планетолог из Калифорнийского университета Джошуа Криссансен-Тоттон, оно избавляет от необходимости считать обязательным условием жизни тектоническую активность или наличие сложных фотосинтезирующих организмов, таких как наземные растения.