Большую часть своей истории (около 4,5 млрд лет) Земля была практически лишена кислорода, пока цепь глобальных процессов не довела его концентрацию в атмосфере до нынешних 21%. Международная группа геологов представила новую версию: главным драйвером этого процесса стала «холодная субдукция» — тектонический процесс, при котором остывшие океанические плиты погружались глубоко в мантию Земли. Результаты исследования, связывающего движение литосферных плит с зарождением сложной жизни, опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Три шага к живому миру
Геохимические данные показывают, что атмосфера планеты насыщалась кислородом в три резких этапа:
- Великое кислородное событие (GOE): произошло 2,4–2,0 млрд лет назад, насытило океаны и дало толчок появлению первых эукариот.
- Неопротерозойское кислородное событие (NOE): случилось после миллиарда лет затишья (так называемого «Скучного миллиарда») в период от 800 до 520 млн лет назад.
- Палеозойское кислородное событие (POE): завершилось 45–25 млн лет назад, установив современный уровень кислорода и запустив эволюцию крупных хищников.
Ранее ученые считали главными факторами фотосинтез водорослей и наземных растений, а также падение активности вулканов. Однако математические модели показывают, что этих причин недостаточно для объяснения резких скачков.
Как охлаждение недр спасло атмосферу
Авторы нового исследования предположили, что запуск стабильной холодной субдукции кардинально перестроил круговорот веществ.
Когда холодная океаническая кора уходит в мантию, она буквально утаскивает за собой огромные объемы органического углерода и пирита. В обычных условиях эти соединения легко реагируют с кислородом на поверхности, поглощая его и выступая в роли «кислородных губок». Исчезновение углерода и пирита в глубоких недрах Земли уничтожила их, позволив свободному кислороду беспрепятственно накапливаться в атмосфере.
Чтобы подтвердить гипотезу, ученые собрали базу данных о метаморфических породах со всей планеты за последние 4 миллиарда лет и рассчитали соотношение температуры и давления при их формировании.
Оказалось, что два крупнейших периода аномального падения температуры недр (2,2–1,8 млрд лет назад и менее 800 млн лет назад) идеально совпадают по времени со всеми тремя этапами масштабного обогащения атмосферы кислородом.
Моделирование миллиардов лет
Для проверки гипотезы геологи объединили собранные данные с биогеохимической моделью COPSE, симулирующей круговорот углерода, серы и кислорода между корой, мантией и поверхностью планеты. Моделирование подтвердило: переход тектоники к стабильной холодной субдукции с высокой точностью воспроизводит ступенчатый рост уровня кислорода от древней архейской пустоты до наших дней.
Хотя авторы признают, что геологическая летопись имеет пробелы, их работа предлагает принципиально новый взгляд на эволюцию: именно тектонические процессы планетарного масштаба создали химический фундамент для развития сложной и многообразной жизни.
Откуда на Земле появился кислород? Новое исследование намекает на неожиданный источник
Самые древние следы фотосинтеза рассказывают о происхождении жизни на Земле
Ученые выяснили, как кислород помог сложной жизни появиться на Земле
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX