Биология, геология и химия работали вместе, чтобы создать нынешнюю атмосферу. Великое насыщение кислородом, произошедшее около 2,4 миллиарда лет назад, стало одним из крупнейших преобразований планеты. До него в атмосфере практически не было кислорода.
Традиционно появление кислорода рассматривается как триумфальное терраформирование на непригодной для жизни планете. Сейчас уже известно, что Земля активно насыщалась кислородом. Ей потребовалось два больших подъёма уровня кислорода в течении двух миллиардов лет, прежде чем воздух стал пригодным для дыхания. Что же способствовало появлению кислорода на Земле: эволюция жизни или эволюция планеты?
Чужая Земля
Почти половину существования планеты Земля (до Великой оксигенации) Земля фактически была чужой планетой. Помимо очевидного (воздух был непригодным для дыхания), в океанах также не хватало кислорода, и они были полны растворённого железа, а земля была смертельно облучена ультрафиолетом из-за отсутствия озонового слоя. Даже цветовая палитра была другой, ведь на Земле не было зелени растительности, а небо было розовато-оранжевым из-за высокого уровня метана.
Жизнь зародилась в этой чуждой среде, и в какой-то момент между 3,2 и 2,8 миллиардами лет назад
цианобактерии начали использовать солнечный свет, чтобы отделять водород от воды, отбрасывая при этом кислород. Это было за 400...800 миллионов лет до Великой оксигенации.
Фото: arstechnica.com
Очевидно, что изобретения фотосинтеза, производящего кислород, самого по себе было недостаточно, чтобы насытить атмосферу кислородом.
Земля как оксигенатор
Земля
ежедневно теряет в космосе около 90 тонн газа, в основном водорода и гелия. Это ничтожно мало по сравнению с массой атмосферы, так что причин для беспокойства нет. Но до Великой оксигенации потери водорода были настолько велики, что это способствовало появлению дисбаланса между изотопами водорода сегодня, потому что водород улетучивается легче, чем дейтерий, его более тяжёлый изотоп. Этот дисбаланс показывает, что Земля потеряла эквивалент четверти воды, заполнявшей её океаны, из-за потери водорода.
Потеря водорода из H2O, но сохранение кислорода подтолкнула Землю к окислительной среде, точно так же, как это происходило на Марсе. На Марсе достаточно кислорода, который остался после того, как водород из его воды просочился в космос, чтобы его поверхность покрылась красной ржавчиной.
Охлаждение Земли
На Земле с её более активной геологией было много дополнительных веществ, с которыми кислород мог реагировать.
Ранняя атмосфера Земли была наполнена потребляющими кислород («восстанавливающими») газами, такими как водород, монооксид углерода, сероводород, диоксид серы и метан. Их постоянно извергали вулканы, а также микробы и морская вода, реагирующая с лавой. Водород из реакций морской воды и лавы мог потреблять более 70 миллионов тонн кислорода каждый год. Океаны также были полны растворённого железа, которое ржавело при контакте с растворённым кислородом, поглощая его. В совокупности эти газы поглощали кислород, как только он производился.
Охлаждение планеты имело решающее значение для того, чтобы Земля стала более «дружелюбной» к кислороду.
Как только Земля достаточно остыла, её кора начала перемещаться по земному шару в виде твёрдых плит. В результате Земля превратилась из водного мира, испещрённого вулканическими островами, в мир материков и гор на толстой континентальной коре.
Утолщение коры увеличило глубину, на которой магма хранилась перед извержением, тем самым увеличив давление на неё. Это простое изменение изменило химический состав расплавленной породы и, таким образом, химический состав газов, выделяемых вулканами. Таким образом, производство газов, поглощающих кислород, падало по мере роста континентов.
Смерть освобождает кислород
До возникновения континентов недостаток питательных веществ, таких как фосфор, в океанской воде, возможно, ограничивал изобилие жизни. Это удерживало популяцию цианобактерий на низком уровне, подавляя выработку кислорода. Но по мере роста континентов эрозия доставляла в океаны больше питательных веществ, а по мере того, как химический состав лавы менялся вместе с растущими континентами, эти питательные вещества поступали из горных пород, всё более богатых фосфором, что увеличивало количество жизни, которую планета могла поддерживать.
По мере того как жизнь в океанах процветала, активизировался процесс, называемый «
углеродным насосом». Сегодня вся популяция планктона в поверхностном слое Мирового океана каждые несколько дней уничтожается планктонными травоядными и вирусами. В то время как большая часть углерода в этой бойне перерабатывается в новую жизнь, некоторая часть оседает на морское дно, где и погребается. Этот процесс известен как «биологический углеродный насос». За исключением травоядных, которых ещё не существовало, нечто подобное происходило на ранней Земле.
Этот органический углерод также реагирует с кислородом, образуя CO2. Таким образом, чтобы кислород накапливался в атмосфере, органический углерод должен быть захоронён. Иными словами, углеродное захоронение способствует подъёму уровня кислорода.
По мере роста континентов росли и запасы железа, смываемого в океаны, которое связывалось с органическим углеродом, защищая его от повторного использования микробами до тех пор, пока оно не было надёжно закопано, тем самым увеличивая захоронение углерода. Более крупные континенты предоставили больше места для осадочных бассейнов, которые также погребали органический углерод, помогая поднимать уровень кислорода.
Учитывая все эти факторы, неудивительно, что Великая оксигенация не была простым процессом. Геологическая летопись показывает, что за сотни миллионов лет до Великой оксигенации время от времени «дуновения» кислорода происходили, при этом уровень кислорода продолжал колебаться ещё 200 миллионов лет спустя.
Фото: arstechnica.com
Изменение содержания кислорода на планете погрузило её в кризис. Земля погрузилась в серию ледниковых периодов, которые продолжались около 220 миллионов лет.
Долго и неудовлетворительно
Великая оксигенация изменила состав Земли, создав около 3000 окисленных минералов, которых раньше не существовало. Солнечный свет в стратосфере преобразовал некоторое количество кислорода в озон, образовав слой, защищающий землю от стерилизующего ультрафиолетового излучения. Метан окислялся до CO2, окрашивая небо в голубой цвет; в сочетании с CO2, выбрасываемым вулканами, на планете было достаточно парниковых газов, чтобы не замёрзнуть.
Растворённое в океанах железо в основном осаждается в виде железной руды, которую добывают сегодня, а кислород вступает в реакцию с водородом, образуя воду, что замедляет его выход в космос и сохраняет океаны Земли.
Появился новый тип клеток - эукариоты, метаболизм многих из которых зависит от кислорода, - что в конечном итоге сделало возможным существование сложной жизни.
И всё же воздух был непригоден для дыхания; содержание кислорода составляло всего лишь 1 процент от нынешнего уровня. Низкое содержание кислорода длилось полтора миллиарда лет, совпадая с периодом приглушённой геологической активности, получившим название «Скучный миллиард».
Хотя причины и последствия этого неутешительного периода неясны, похоже, существовал долгоживущий суперконтинент на котором образовывались горы. При этом какие бы горы ни существовали, со временем они превратились в холмы и составляющие их вещества выветрились. И хотя поверхность океана оставалась насыщенной кислородом, его глубины оставались бескислородными, потому растворённое железо снова начало накапливаться.
Второй этап похож на первый
Затем, через полтора миллиарда лет после Великой оксигенации, на Земле произошло второе значительное повышение уровня кислорода, названное «событие неопротерозойской оксигенации» или «NOE», которое произошло между 800 и 500 миллионами лет назад и привело к повышению уровня кислорода примерно до половины от современного уровня.
Хотя детали обсуждаются, NOE был пугающе похож на Великую оксигенацию с большими колебаниями содержания кислорода в течение примерно 300 миллионов лет. Это также совпало с крупными эволюционными достижениями в жизни и изменением тектоники плит, а за тем также последовало оледенение.
Новые формы жизни - возможная движущая сила NOE
Тогда произошло появление замечательного разнообразия жизни, и «стеран», биомаркер эукариотических клеток, показывает, что в то время их стало больше. Примерно тогда же появились и самые ранние животные.
Профессор Тим Лентон из Университета Эксетера предположил, что эволюция привела к более эффективному захоронению углерода, поскольку новые формы жизни были больше, поэтому они быстрее опускались на морское дно, сохраняя больше углерода от повторного использования. Хотя эта идея спорна, есть также свидетельства того, что водоросли могли начать колонизировать сушу в то время. Если это так, то органические кислоты, которые водоросли должны были использовать для извлечения питательных веществ из горных пород, увеличили бы поступление питательных веществ в море.
Изотопы углерода показывают значительное увеличение захоронения органического углерода в это время, что должно было способствовать подъёму уровня кислорода. Дополнительное сохранение углерода также могло бы охладить климат, возможно, спровоцировав снежное оледенение.
Холодные плиты
Тектоника плит положила конец «Скучному миллиарду», расколов суперконтинент «Родиния» на несколько более мелких континентов, разбросанных по тропикам. Горообразование снова вернулось в моду, и вулканы извергались с новой силой, когда континенты сталкивались с океаническими плитами.
Земля начинала новый этап в тектонике плит, когда более холодные плиты производили новый набор горных пород высокого давления, называемых «голубыми сланцами», когда они погружались в мантию. Раньше в истории Земли, когда планета была более горячей, большинство плит плавилось, как только они попадали в мантию, но к NOE планета достаточно остыла, чтобы большинство движущихся вниз плит не расплавились.
Этот новый этап тектоники плит привёл к более устойчивому погружению плит в мантию, что увеличило количество континентальной коры и углерода, отправленных глубоко в недра Земли. Главное, это утолщённые горные пояса. В результате эрозии в океаны попало больше питательных веществ и железа, что повысило биологическую активность, захоронение углерода и повышение уровня кислорода.
И снова Земля покатилась по американским горкам экстремального климата и питательных веществ. Последовали два оледенения, когда лёд покрывал большую часть планеты в течение десятков миллионов лет, за каждым из которых следовали жаркие «суперпарниковые» условия, которые выбрасывали в океаны потоки питательных веществ из горных пород.
Фото: arstechnica.com
Содержание кислорода продолжало колебаться долгое время после этого: один эпизод с низким содержанием кислорода спровоцировал самое старое задокументированное массовое вымирание ранних животных около 550 миллионов лет назад. Несмотря на это, жизнь продолжала развиваться в более энергозатратном образе, которому благоприятствовал более высокий уровень кислорода, когда организмы имели более крупные тела, зарывались в морское дно и передвигались под действием собственной силы.
Третий этап оксигенации
Окончательное повышение содержания кислорода на Земле, «палеозойское событие оксигенации» или «POE», началось около 470 миллионов лет назад. У него гораздо более ясная причина: эволюция наземных растений. Наземные растения, безусловно, увеличили скорость производства кислорода, и теперь учёные почти убеждены, что именно их эволюция подняла уровень кислорода до уровня, при котором люди могут дышать. Причина, опять же, сводится к захоронению органического углерода.
POE стало слабым отголоском более ранних событий оксигенации и принесло ещё одно сильное оледенение. Хотя оно было намного короче и мягче, чем предыдущие, уровень моря резко упал, и большие части океанов снова потеряли кислород, что привело к крупному массовому вымиранию. Но оледенение было сравнительно недолгим, и вскоре современные уровни кислорода поддерживали энергичную жизнь, такую как рыбы и наземные животные. Но повышение уровня кислорода также привело к появлению огня, а огонь потребляет кислород.
Самые древние фрагменты древесного угля были найдены в породах, сформировавшихся около 430 миллионов лет назад.
Поскольку огонь не может возникнуть, если кислорода в атмосфере меньше 16 процентов, кислород к тому времени должен был быть выше. И наоборот, отсутствие древесного угля, или «угольные пробелы», свидетельствуют о том, что с тех пор кислород несколько раз опускался ниже этого уровня. Это произошло около 390 миллионов лет назад и ещё раз сразу после того, как сухопутные растения были уничтожены в результате массового пермского вымирания 252 миллиона лет назад.
Фото: arstechnica.com
Огонь потребляет кислород и держит растительность под контролем. Если бы лесных пожаров не было вообще, то продуктивность лесов была бы в два раза выше, так что они являются серьёзным ограничивающим фактором.
Кто же ответственен за появление кислорода в атмосфере
Теоретически, «без какого-либо участия жизни вообще, просто благодаря геохимическим циклам и тектонике в масштабах всей планеты, можно было бы со временем повысить уровень кислорода в атмосфере нашей планеты», - говорит профессор Радждип Дасгупта из Университета Райса.
«Для того чтобы на Земле было много кислорода, я думаю, необходима фотосинтезирующая биосфера. Однако, можно утверждать и то, что если бы мантия не развивалась... то атмосфера, богатая кислородом, не возникла бы», - говорит профессор Ариэль Анбар из Университета штата Аризона.
В «Гипотезе Геи» Джеймс Лавлок и Линн Маргулис утверждали, что жизнь приобрела контроль над планетарной средой, что привело к гомеостазу биосферы. Но насыщение Земли кислородом показывает, что Земля в равной степени контролировала планетарную среду и эволюцию жизни, поэтому роли биосферы и геосферы неразделимы: «Это живая планета... она живая в очень реальном смысле, а как эволюционируют живые планеты - вопрос открытый», - говорит Анбар.