Атмосфера Земли лишилась кислорода

Груп­па иссле­до­ва­те­лей из Дании, Вели­ко­бри­та­нии и Уруг­вая, кото­рой руко­во­дил про­фес­сор Роберт Фрей (Robert Frei) из Копен­га­ген­ско­го уни­вер­си­те­та (Kebenhavns Universitet, www.ku.dk), впер­вые суме­ла вос­ста­но­вить деталь­ную кар­ти­ну появ­ле­ния у Зем­ли кис­ло­род­ной атмо­сфе­ры и выявить факт вре­мен­но­го паде­ния уров­ня содер­жа­ния кис­ло­ро­да око­ло двух мил­ли­ар­дов лет назад. Все­го новый ана­лиз охва­ты­ва­ет пери­од в 3,8 млрд лет (пуб­ли­ка­ция в жур­на­ле Nature, www.nature.com/doifinder/10.1038/nature08266).

Соглас­но преж­ним гео­хи­ми­че­ским иссле­до­ва­ни­ям, кис­ло­род в изна­чаль­но без­кис­ло­род­ной зем­ной атмо­сфе­ре стал накап­ли­вать­ся 2,45−2,2 млрд лет назад (в нача­ле про­те­ро­зоя). Это собы­тие гео­ло­ги почти­тель­но назы­ва­ют Вели­кой Кис­ло­род­ной Ката­стро­фой или Гло­баль­ным Окис­ле­ни­ем (Great Oxidation Event – GOE). Сле­ду­ю­щий замет­ный (почти «взрыв­ной», по гео­ло­ги­че­ским поня­ти­ям) рост содер­жа­ния кис­ло­ро­да в атмо­сфе­ре наблю­дал­ся при­мер­но 750 млн лет назад. Выяс­нить, как имен­но коле­бал­ся уро­вень 02 в про­ме­жут­ке меж­ду эти­ми собы­ти­я­ми, до послед­не­го вре­ме­ни не уда­ва­лось. Попыт­ки исполь­зо­вать в каче­стве «мар­ке­ров» изо­то­пы молиб­де­на, рения и дру­гих метал­лов дава­ли весь­ма про­ти­во­ре­чи­вые резуль­та­ты. Оста­ва­лось непо­нят­ным, когда кис­ло­род впер­вые начал накап­ли­вать­ся в атмо­сфе­ре, како­вы были тем­пы это­го накоп­ле­ния и не было ли пери­о­дов, когда уро­вень кис­ло­ро­да, наобо­рот, сни­жал­ся. Меж­ду тем, вопрос о накоп­ле­нии кис­ло­ро­да необы­чай­но важен, посколь­ку он тес­но свя­зан с про­цес­сом появ­ле­ния и даль­ней­шей эво­лю­ци­ей жиз­ни на нашей пла­не­те.

Груп­па Фрея про­ве­ла свой ана­лиз, изу­чив содер­жа­ние раз­ных изо­то­пов хро­ма в древ­них оке­а­ни­че­ских оса­доч­ных сло­ях, бога­тых желе­зом. Им уда­лось, в част­но­сти, пока­зать, что повы­ше­ние уров­ня атмо­сфер­но­го кис­ло­ро­да 580 млн лет назад сов­па­ло с важ­ней­ши­ми эво­лю­ци­он­ны­ми изме­не­ни­я­ми в зем­ной фауне – появ­ле­ни­ем пер­вых круп­ных и доста­точ­но слож­но раз­ви­тых живых орга­низ­мов, вышед­ших со вре­ме­нем на сушу.

По мне­нию Фрея и его кол­лег, кис­ло­род появил­ся в поверх­ност­ных водах оке­а­на уже 2,8−2,6 млрд лет назад – это по край­ней мере на 200 млн лет рань­ше, чем резуль­та­ты дру­гих изо­топ­ных мето­дов. Одна­ко самым уди­ви­тель­ным выво­дом мож­но счи­тать утвер­жде­ние, соглас­но кото­ро­му око­ло 1,9 млрд лет назад уро­вень содер­жа­ния кис­ло­ро­да вне­зап­но сокра­тил­ся едва ли не до того ничтож­но­го коли­че­ства, кото­рым атмо­сфе­ра Зем­ли обхо­ди­лась до Вели­кой Кис­ло­род­ной Ката­стро­фы (менее 1% от сего­дняш­не­го уров­ня). То есть поступ­ле­ние кис­ло­ро­да в атмо­сфе­ру на ран­них эта­пах суще­ство­ва­ния нашей пла­не­ты было весь­ма неста­биль­ным (а в даль­ней­шем содер­жа­ние кис­ло­ро­да уже нико­гда не сни­жа­лось столь замет­ным обра­зом).

Метод, исполь­зо­ван­ный в дан­ной рабо­те для инди­ка­ции коли­че­ства кис­ло­ро­да в атмо­сфе­ре Зем­ли, осно­ван на наблю­да­е­мой зави­си­мо­сти сте­пе­ни мобиль­но­сти хро­ма и его соеди­не­ний от кон­цен­тра­ции атмо­сфер­но­го кис­ло­ро­да. Если коли­че­ство кис­ло­ро­да в атмо­сфе­ре умень­ша­ет­ся, то про­ис­хо­дит свя­зы­ва­ние хро­ма в гор­ных поро­дах, в ходе кото­ро­го каж­дый атом хро­ма теря­ет по три элек­тро­на и про­ис­хо­дит его окис­ле­ние (в наи­бо­лее устой­чи­вых соеди­не­ни­ях хро­ма сте­пень его окис­ле­ния состав­ля­ет +3 (Сг3+)).

Попадание хрома в морские отложения. BIF – banded iron formations, железистые кварциты (иллюстрация из журнала Nature)
Попа­да­ние хро­ма в мор­ские отло­же­ния. BIF – banded iron formations, желе­зи­стые квар­ци­ты (иллю­стра­ция из жур­на­ла Nature)

Наобо­рот, когда уро­вень кис­ло­ро­да рас­тет, метал­ли­че­ский мар­га­нец, содер­жа­щий­ся в тех же поро­дах, может пре­вра­щать­ся в оксид мар­ган­ца, кото­рый в свою оче­редь заби­ра­ет элек­тро­ны у свя­зан­ных ато­мов хро­ма, пере­во­дя его в 6-валент­ное состо­я­ние (Сг6+). В резуль­та­те мак­си­маль­но окис­лен­ные фор­мы хро­ма с боль­шой веро­ят­но­стью будут вымы­вать­ся дож­де­вой водой и попа­дать в оке­ан. Ока­зав­шись там, хром реа­ги­ру­ет с желе­зом и вклю­ча­ет­ся в состав его соеди­не­ний в сво­ей наи­бо­лее устой­чи­вой фор­ме +3.

Важ­но отме­тить, что тяже­лый изо­топ хро­ма (Cr-53) в боль­шей сте­пе­ни вымы­ва­ет­ся из пород в оке­ан, чем более лег­кий Cr-52. Зна­чит, путем срав­не­ния отно­си­тель­ных коли­честв тяже­лых и лег­ких изо­то­пов хро­ма в желе­зи­стых квар­ци­тах мож­но выяс­нять, сколь­ко имен­но кис­ло­ро­да было в атмо­сфе­ре в то вре­мя, когда эти изо­то­пы содер­жа­лись в свя­зан­ном состо­я­нии в скаль­ных поро­дах.

Конеч­но, общая кар­ти­на вза­и­мо­дей­ствия хро­ма с окси­да­ми мар­ган­ца, желе­за и др. может быть слож­нее, и про­цес­сы вывет­ри­ва­ния хро­ма долж­ны быть допол­ни­тель­но иссле­до­ва­ны для того, что­бы все выво­ды, содер­жа­щи­е­ся в дан­ной рабо­те, ста­ли бес­спор­ны­ми. Одна­ко важ­но уже то, что теперь уче­ным впер­вые уда­лось не про­сто опре­де­лить общую тен­ден­цию, свя­зан­ную с накоп­ле­ни­ем кис­ло­ро­да, но и отсле­дить коле­ба­ния уров­ня его содер­жа­ния в атмо­сфе­ре.

Сле­ду­ю­щий есте­ствен­ный вопрос: насколь­ко тес­но свя­за­ны эти коле­ба­ния с появ­ле­ни­ем и раз­ви­ти­ем пер­вых живых орга­низ­мов, спо­соб­ных к фото­син­те­зу? (По всей види­мо­сти, пер­во­на­чаль­но это были так назы­ва­е­мые анаэ­роб­ные мик­ро­ор­га­низ­мы, не нуж­да­ю­щи­е­ся в кис­ло­ро­де для фото­син­те­за и, наобо­рот, высво­бож­да­ю­щие его из соеди­не­ний с угле­ро­дом.) К сожа­ле­нию, окон­ча­тель­но­го отве­та на этот вопрос пока не полу­че­но.

Мак­сим Бори­сов

  1. Chromium isotopes track oxygen’s rise (Nature News)
    www.nature.com/news/2009/090909/full/news.2009.901.html
  2. Ancient oceans offer new insight into the origins of animal life (Newcastle University)
    www.physorg.com/news171722551.html

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
1 Цепочка комментария
0 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
1 Авторы комментариев
геннадий генев Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
геннадий генев
геннадий генев

Коле­ба­ния кис­ло­ро­да в древ­ней атмо­сфе­ре мож­но пред­по­ла­гать по био­ло­ги­че­ским при­зна­кам воз­ник­но­ве­ния новых видов рас­те­ний и живот­ных, а не толь­ко по гео­ло­ги­че­ским при­зна­кам. Исчез­но­ве­ние кис­ло­ро­да в наше вре­мя свя­за­но с огром­ным сжи­га­ни­ем угле­во­до­ро­дов, что уве­ли­чи­ва­ет про­ни­ца­е­мость атмо­сфе­ры для сол­неч­ной ради­а­ции, а так­же для холо­да кос­мо­са. Это ведет к уси­ле­нию испа­ря­е­мо­сти оке­а­нов и силь­ным вет­рам (раз­ни­ца тем­пе­ра­тур). Вот и бури и навод­не­ния. Ген­на­дий Генев.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: