Ученые выяснили хронологию увеличений и падений концентрации кислорода в атмосфере Земли за последние 3,8 миллиарда лет и показали, что эти вариации совпадают с представлениями палеонтологов о том, когда на планете появились первые живые организмы и какими они были.
Кроме того, ученые выявили признаки того, что накопление кислорода в атмосфере Земли сменялось значительным понижением его содержания, которое еще предстоит объяснить.
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 2,4-2,2 миллиарда лет назад в ходе так называемой кислородной катастрофы.
После этого события количество кислорода в воздухе составило примерно 10% от современного. Впоследствии похожее событие произошло примерно 780 миллионов лет назад, когда содержание кислорода в атмосфере 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 в промежутке времени 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, но одинаковой природы) хрома в отложениях на дне древних океанов. Эта методика основывается на предположении, что увеличение содержания кислорода в воздухе приводит к переходу хрома в горных породах на суше из одного химического состояния в другое, более окисленное, в котором этот элемент оказывается более мобильным.
В результате такого перехода соединения хрома вымываются в атмосферными осадками в моря и океаны, где восстанавливаются и переходят в изначальное химическое состояние и вновь становятся немобильными. В результате соединения хрома оседают на дно вместе с железосодержащими осадочными породами, причем вся цепочка событий происходит немного быстрее в случае более тяжелого изотопа хрома - 53Cr.
Таким образом, отслеживая изменения соотношений изотопов 53Cr/52Cr в осадочных породах, извлеченных с морского дна, можно проследить изменение концентрации этого газа в атмосфере. Фрей и его коллеги показали, что некоторое увеличение концентрации кислорода в результате активности первых простейших бактерий, способных к фотосинтезу, произошло за 300 миллионов лет до кислородной катастрофы. Не менее удивительным оказалось обнаруженное учеными уменьшение концентрации кислорода через 500 миллионов лет после кислородной катастрофы практически до изначального ничтожно малого уровня. 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 только 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.
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 2,4-2,2 миллиарда лет назад в ходе так называемой кислородной катастрофы.
После этого события количество кислорода в воздухе составило примерно 10% от современного. Впоследствии похожее событие произошло примерно 780 миллионов лет назад, когда содержание кислорода в атмосфере 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 в промежутке времени 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, но одинаковой природы) хрома в отложениях на дне древних океанов. Эта методика основывается на предположении, что увеличение содержания кислорода в воздухе приводит к переходу хрома в горных породах на суше из одного химического состояния в другое, более окисленное, в котором этот элемент оказывается более мобильным.
В результате такого перехода соединения хрома вымываются в атмосферными осадками в моря и океаны, где восстанавливаются и переходят в изначальное химическое состояние и вновь становятся немобильными. В результате соединения хрома оседают на дно вместе с железосодержащими осадочными породами, причем вся цепочка событий происходит немного быстрее в случае более тяжелого изотопа хрома - 53Cr.
Таким образом, отслеживая изменения соотношений изотопов 53Cr/52Cr в осадочных породах, извлеченных с морского дна, можно проследить изменение концентрации этого газа в атмосфере. Фрей и его коллеги показали, что некоторое увеличение концентрации кислорода в результате активности первых простейших бактерий, способных к фотосинтезу, произошло за 300 миллионов лет до кислородной катастрофы. Не менее удивительным оказалось обнаруженное учеными уменьшение концентрации кислорода через 500 миллионов лет после кислородной катастрофы практически до изначального ничтожно малого уровня. 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 только 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.