Чому протягом всієї історії кисень на Землі то в надлишку, то майже зникає з атмосфери
Згідно з новим дослідженням, перехід Землі до постійного збереження насиченої киснем атмосфери був зупиненим процесом, який зайняв на 100 мільйонів років більше, ніж вважалося раніше.
Вчені провели масштабне дослідження древніх порід, щоб з’ясувати, чому вміст кисню на нашій планеті таке нестабільне – і зрозуміти, чого варто побоюватися в майбутньому
Коли Земля вперше сформувалася 4,5 мільярда років тому, в атмосфері майже не було кисню. Але 2,43 мільярда років тому дещо сталося: рівень кисню почав рости, потім падати, що супроводжувалося масштабними змінами клімату, включаючи кілька зледенінь, які, можливо, покрили всю земну кулю льодом.
Хімічні речовини, що відклалися в той час в породах, вказують, що 2,32 мільярда років тому кисень вже був постійним елементом атмосфери планети. Однак нове дослідження, присвячене більш пізнього періоду, виявило, що рівень кисню все ще зміщувався взад і вперед навіть 100 000 років по тому, коли планета, нарешті, досягла критичної точки.
Робота, опублікована в журналі Nature, подовжує тривалість того, що вчені називають Великою окислювальною подією (Great Oxygen Event, скор. GOE), на 100 мільйонів років. Вона також може підтвердити зв’язок між оксигенацією і різкими коливаннями клімату. «Ми тільки зараз починаємо розуміти складність цієї події», – зізнався співавтор дослідження Андрій Беккер, геолог з Каліфорнійського університету в Ріверсайді.
Як на Землі з’явився кисень
Кисень, створений під час Великої окисної події, був створений морськими ціанобактеріями – типом бактерій, які виробляють енергію за допомогою фотосинтезу. Основним побічним продуктом фотосинтезу є кисень, і ранні ціанобактерії в кінцевому підсумку зробили достатньо кисню, щоб назавжди змінити обличчя планети.
Хімічна «підпис» цього зміни видно в морських осадових породах. У безкисневій атмосфері ці породи містять певні види ізотопів сірки (ізотопи – це елементи з різною кількістю нейтронів в ядрах). Коли виникають кисневі піки, ці ізотопи сірки зникають, тому що хімічні реакції, які їх створюють, не відбуваються в присутності кисню.
Беккер і його колеги давно вивчали появу і зникнення сигнатур ізотопу сірки. Вони та інші дослідники помітили, що підвищення і зниження вмісту кисню в атмосфері, здавалося, пов’язане з трьома глобальними заледеніннями, які відбулися між 2,5 і 2,2 мільярдами років тому. Але, як не дивно, четверте й останнє заледеніння в той період вже не було пов’язано з коливаннями рівня кисню в атмосфері.
Беккер розповів в інтерв’ю Live Science, що вчені були здивовані. «Чому у нас є чотири льодовикових події, три з них можуть бути пов’язані й пояснені варіаціями атмосферного кисню, але четверте раптово стоїть осібно?»
Щоб з’ясувати це, дослідники вивчили молодші породи з Південної Африки. Ці морські породи покривають більш пізню частину Великої окисної події, від наслідків третього заледеніння до приблизно 2,2 мільярда років тому.
З’ясувалося, що після третього заледеніння атмосфера спочатку була безкисневою, потім рівень кисень зріс і знову впав. Кисень знову піднявся 2,32 мільярда років тому – точка, в якій, на думку вчених, підвищення було постійним. Але в більш молодих породах Беккер і його колеги знову виявили падіння рівня кисню. Це падіння збіглося з останнім заледенінням, яке раніше не пов’язували з атмосферними змінами.
«Атмосферний кисень в той час був дуже нестабільним, підіймався до відносно високих рівнів і падав майже до нуля», – сказав Беккер. «Цього ми не очікували».
Ціанобактерії проти вулканів
Дослідники все ще з’ясовують, що викликало всі ці коливання, але у них вже є деякі ідеї. Одним з ключових чинників є метан, парниковий газ, який більш ефективно утримує тепло, ніж вуглекислий газ.
Сьогодні метан грає невелику роль в глобальному потеплінні в порівнянні з вуглекислим газом, тому що він вступає в реакцію з киснем і зникає з атмосфери протягом приблизно десяти років, тоді як вуглекислий газ залишається в ній протягом століть. Але коли в атмосфері майже не було кисню, метан існував набагато довше і виступав в якості основного парникового газу.
Таким чином, послідовність оксигенації та зміни клімату, можливо, була приблизно такою: ціанобактерії почали виробляти кисень, який в той час реагував з метаном в атмосфері, залишаючи після себе тільки вуглекислий газ.
Цього вуглекислого газу було недостатньо, щоб компенсувати зігрівальний ефект втраченого метану, тому планета почала охолоджуватися. Льодовики розширилися, і поверхня планети стала крижаною і холодною.
Однак порятунком планети від постійного заморожування стали підльодовикові вулкани. Вулканічна активність у кінцевому результаті підвищила рівень вуглекислого газу до рівня, достатнього для того, щоб знову нагріти планету. І хоча виробництво кисню в покритих льодом океанах сповільнилося через те, що ціанобактерії отримували менше сонячного світла, метан з вулканів і мікроорганізмів знову почав накопичуватися в атмосфері, ще більше нагріваючи її.
Але вулканічний вуглекислий газ має ще один важливий ефект. Коли діоксид вуглецю вступає в реакцію з дощовою водою, він утворює вуглекислоту, яка розчиняє гірські породи швидше, ніж дощова вода з нейтральним pH. Це більш швидке вивітрювання порід приносить в океани більше поживних речовин, таких як фосфор.
Понад 2 мільярдів років тому такий приплив поживних речовин довів би виробляють кисень морські ціанобактерії до продуктивного божевілля, знову підвищивши рівень кисню в атмосфері, знизивши рівень метану і знову запустивши весь цикл.
Зрештою, ще одна геологічна зміна перервала цей цикл оксигенації та заледеніння. Схоже, що ця закономірність закінчилася близько 2,2 мільярда років тому, коли літописі гірських порід вказується на збільшення вмісту органічного вуглецю, що свідчить про розквіт фотосинтезуючих організмів.
Ніхто точно не знає, що викликало цей переломний момент, хоча Беккер і його колеги припускають, що вулканічна активність в цей період забезпечила новий приплив поживних речовин в океани, нарешті давши ціанобактеріям все необхідне для процвітання.
На той момент, сказав Беккер, рівень кисню був досить високим, щоб надовго придушити надмірний вплив метану на клімат, а вуглекислий газ від вулканічної активності та інших джерел став домінуючим парниковим газом для збереження тепла на планеті. Але ці дані все ще недостатні для формування всеохоплюючої картини кліматичних змін, а тому у вчених попереду ще дуже багато роботи.
