Колебания содержания кислорода в атмосфере докембрия

Ученые выяснили хронологию увеличения и уменьшения концентрации кислорода в атмосфере Земли за последние 3,8 миллиарда лет. В статье, опубликованной в сентябре 2009 г. в журнале Nature, показано, что содержание кислорода в атмосфере напрямую связано с появлением первых фотосинтезирующих организмов и их эволюцией, известной по палеонтологическим данным.

Хронология древнейших этапов эволюции жизни по палеонтологическим данным (из работы В.Н. Сергеева, 2003)

В настоящее время воздух на 21% состоит из кислорода, на 78% из азота, а остальное составляют благородные газы - аргон, гелий, неон, а также углекислый газ и метан. Однако 4 миллиарда лет назад ситуация была в корне иной: первичная атмосфера Земли была практически лишена кислорода, а доля метана в нем была намного больше. Впервые значительные количества кислорода в атмосфере Земли появились 2,45-2,2 млрд. лет назад. После этого события количество кислорода в воздухе составило примерно 10% от современного. Следующее резкое повышение кислорода в атмосфере произошло с 800 до 542 миллионов лет назад, когда его содержание достигло своего современного уровня и больше уже никогда существенно не менялось.

О более детальной хронологии появления кислорода в атмосфере ученые спорят до сих пор, причем до последнего времени исследователям не было известно, как именно менялась концентрация кислорода между двумя периодами ее резкого увеличения.

Профессор Копенгагенского университета Роберт Фрей (Robert Frei) и его коллеги из Дании, Великобритании и Уругвая разработали новую методику изучения геологического прошлого планеты, основанную на анализе содержания изотопов (атомов разной массы) хрома в отложениях древних океанов. Эта методика основывается на предположении, что увеличение содержания кислорода в воздухе приводит к окислению хрома горных пород. Соединения хрома при этим становятся более мобильными. В результате они вымываются атмосферными осадками в моря и океаны, где в восстановительных условиях переходят в изначальное химическое состояние и выпавдают на дно. Вся цепочка событий происходит немного быстрее в случае более тяжелого изотопа хрома (⁵³Cr). Отслеживая изменения соотношения изотопов ⁵³Cr/⁵²Cr в осадочных породах, можно проследить изменение концентрации кислорода в атмосфере.

Фрей и его коллеги показали, что некоторое увеличение концентрации кислорода в результате активности первых простейших бактерий, способных к фотосинтезу, произошло 2,8-2,6 млн. лет назад. Затем после достижения максимума 2,45-2,2 млрд. лет назад концентрация кислорода в атмосфере падает до практически изначального ничтожно малого уровня примерно 1,9 млрд. лет назад. Впоследствии уровень кислорода восстановился, однако причины этого временного падения концентрации Фрею пока выяснить не удалось.

Ученые отмечают, что согласно их данным, современная концентрация кислорода в воздухе и количество растворенного газа в океанах установилась примерно 580 миллионов лет назад, и именно это послужило толчком для развития живых систем, появления многоклеточных животных в океане, а затем и на суше с последующей эволюцией и возникновением человека.

Музей истории мироздания

Колебания содержания кислорода в атмосфере докембрия