На протяжении большей части своей 4,5-миллиардной истории Земля была практически лишена кислорода. Так продолжалось до тех пор, пока определенные процессы не привели к постепенному накоплению кислорода до нынешнего уровня (около 21% атмосферы). Хотя ученые обнаружили свидетельства приблизительных временных масштабов повышения уровня кислорода и знают некоторые из механизмов, лежащих в его основе, основной фактор, обеспечивающий долгосрочное насыщение Земли кислородом, до сих пор неясен.
Новое исследование изучало, повлияли ли изменения в стиле субдукции — способе погружения тектонических плит — на уровень кислорода с течением времени. Научная статья, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, указывает на процесс, называемый холодной субдукцией, как на основной движущий фактор повышения уровня кислорода на Земле, что в конечном итоге привело к созданию на планете более пригодных условий для жизни.
Атмосфера обогащалась кислородом в три этапа
Геологические и геохимические данные указывают на то, что атмосфера Земли, вероятно, стала богатой кислородом в три основных этапа, что позволило зародиться сложной жизни. Первое крупное увеличение содержания кислорода в атмосфере, известное как Великое кислородное (или окислительное) событие (ВКО), произошло примерно 2,4–2,0 миллиарда лет назад. Это событие насытило кислородом поверхностный океан и увеличило перемещение и накопление чувствительных к окислительно-восстановительным процессам микроэлементов в морских отложениях, что в конечном итоге привело к появлению первых эукариотических форм жизни.
После миллиардного периода, названного «скучным миллиардом», произошло неопротерозойское кислородное событие (НОЭ), продолжавшееся примерно от 800 до 540 миллионов лет назад. И наконец, третье повышение уровня кислорода, называемое палеозойским кислородным событием (ПСО), произошло от 450 до 250 миллионов лет назад и довело уровень кислорода до современного уровня. Некоторые исследования предполагают, что это событие привело к увеличению размеров организмов и появлению более разнообразных и специализированных хищников.
Авторы вышеуказанной научной статьи утверждают, что такие факторы, как фотосинтез, последующая смена доминирующих первичных продуцентов от водорослей к сосудистым растениям, резкое сокращение подводного вулканизма и окисление верхней мантии, вероятно, оказали влияние на производство и накопление кислорода на Земле, наряду с другими второстепенными процессами. Тем не менее, они считают, что одних этих факторов, возможно, было недостаточно для достижения нынешнего уровня кислорода.
Команда пишет: «Однако остается неясным, как эти процессы могут объяснить долгосрочную траекторию оксигенации поверхности Земли, включая потенциальные скачкообразные изменения, представленные GOE, NOE и POE, так что основной фактор, определяющий долгосрочную оксигенацию поверхности Земли, остается неуловимым».
Погружение кислородных поглотителей
Группа исследователей предположила, что усиление холодной субдукции — тектонического процесса, при котором холодные океанические плиты погружаются в мантию Земли, — сыграло более значительную роль. Они утверждают, что холодная субдукция, вероятно, усилила погружение органического углерода и пирита в мантию Земли. Поскольку углерод и пирит легко вступают в реакцию с кислородом, их восстановление в конечном итоге приводит к уменьшению кислородных поглотителей. Это, в свою очередь, позволило уровню кислорода в атмосфере накапливаться.
Чтобы оценить, повлияли ли изменения в стилях субдукции на уровень кислорода, группа построила временной ряд метаморфических соотношений температуры и давления, используя породы, распространенные по всему миру за последние 4 миллиарда лет. Эта информация дает исследователям представление об истории субдукции, позволяя им приблизительно определить, какой тип субдукции происходил в разное время.
Они утверждают, что тенденции изменения температуры и давления, в частности, похолодание, характеризующееся низким отношением температуры к давлению, в целом соответствуют Великому окислительному эффекту (GOE), Новому окислительному эффекту (NOE) и Почтовому окислительному эффекту (POE).
Авторы говорят: «Низкие значения T/P наблюдаются в течение двух основных интервалов: в палеопротерозое (примерно от 2,2 до 1,8 млрд лет назад) и от середины неопротерозоя до наших дней (<0,8 млрд лет назад), что в целом совпадает с предполагаемым GOE и NOE-POE соответственно. Первый период с низкими значениями T/P согласуется с возникновением холодной субдукции, связанной с образованием Нуны/Колумбии в результате конвергенции плит и коллизионного орогенеза. Несмотря на свою редкость, эти месторождения широко распространены, и мы утверждаем, что они отражают общее снижение термобарических соотношений, связанное со стабильной (непрерывной), а не нестабильной (кратковременной или эпизодической) субдукцией, что способствовало бы доставке органического углерода (и пирита) в более глубокие слои мантии в глобальном масштабе».
Моделирование четырех миллиардов лет оксигенации
Затем команда сопоставила геологические данные с биогеохимической моделью (COPSE), чтобы проверить гипотезу о том, что возникновение и развитие холодной субдукции за последние 4 миллиарда лет способствовали долгосрочной оксигенации поверхности Земли. Для этого они смоделировали циклы кислорода, углерода и серы в системе, включающей поверхностные, коровые и мантийные резервуары.
Модели показали, что более эффективная холодная субдукция может объяснить трехступенчатый рост атмосферного кислорода. Авторы научной статьи пишут: «Наша модель показывает, что, двигаясь назад от современных значений, pO2 уменьшается в два периода, включая ступенчатое снижение pO2 от настоящего времени до примерно 1,0 млрд лет назад, переменное pO2 во время «скучного миллиарда», а затем «великое окисление» атмосферы между примерно 2,0 и 2,4 млрд лет назад, в конечном итоге предсказывая архейское состояние с лишь следовыми уровнями кислорода».
Команда исследователей отмечает некоторые ограничения своего исследования. Они говорят, что метаморфическая летопись неполна и искажена из-за сохранности и особенностей отбора проб, а их модель упрощает земную систему, удерживая многие переменные постоянными, за исключением стиля субдукции. Из-за этих ограничений, по их словам, результаты носят скорее качественный характер и сосредоточены на долгосрочных тенденциях, а не на точных уровнях кислорода. Тем не менее, исследование дает полезное представление о том, как тектоника Земли формировала атмосферу и жизнь в больших масштабах, и что холодная субдукция, вероятно, сыграла важную роль в целом.