Таємниця кисню: як атмосфера Землі стала придатною для дихання

Атмосфера накопичила достатньо кисню для комфортного дихання менш ніж пів мільярди років тому

Міжнародна група вчених встановила, як атмосфера Землі перетворилася з безкисневої газової суміші на живильне повітря, що дозволило виникнути складним організмам, для яких кисень є життєво необхідним.

Дослідження, проведене під керівництвом Чендуського університету технологій (Китай) у співпраці з Університетом Західної Австралії, було опубліковане в авторитетному науковому журналі Nature.

Вперше дослідники відтворили хронологію того, як наша планета отримала атмосферу, насичену киснем, що сьогодні є основою для існування більшості форм життя. Це відкриття надає унікальну інформацію про найважливіші події в історії Землі, які призвели до формування сучасного світу.

Перш ніж атмосфера Землі стала багатою на кисень, вона була абсолютно іншою. Протягом перших мільярдів років історії нашої планети в повітрі та океанах домінували гази, шкідливі для сучасного життя, зокрема метан і сірководень. Фотосинтезуючі мікроорганізми, що з’явилися на ранній стадії, вже виробляли кисень, однак він швидко поглинався, реагуючи з породами та мінералами. Це була епоха, коли Земля була домом лише для анаеробних мікробів, які не потребували кисню для виживання.

Щоб відстежити цей повільний, але фундаментальний процес, вчені проаналізували високоточні записи ізотопів кисню, що збереглися в стародавніх сульфатних мінералах. Ці ізотопи, як своєрідні «відбитки пальців» у камені, дозволили дослідникам реконструювати динамічну взаємодію між атмосферою та океанами протягом мільярдів років.

«Вчені припускали, що рівень кисню на Землі зростав поетапно, але точний час і зв’язок з хімічним складом океану та біологічною еволюцією були дискусійними. Зростання кисню в атмосфері Землі має фундаментальне значення для виникнення складного життя, яке дихає киснем, для придатності планети до життя та створення життєво важливих природних ресурсів», — пояснив один з авторів дослідження, доктор Метью Додд зі Школи наук про Землю Університету Західної Австралії.

Систематично дослідивши зразки ізотопів кисню, команда вчених створила найповнішу на сьогодні реконструкцію еволюції кисню за останні три мільярди років. Результати виявили три основні епізоди зростання атмосферного кисню, які кардинально змінили вигляд планети:

Палеопротерозойська ера (2,5 — 1,6 млрд років тому): Цей період включає так звану «Кисневу катастрофу», коли рівень кисню почав зростати. Це спричинило масове вимирання анаеробних організмів, але водночас проклало шлях для появи аеробного життя.

Неопротерозойська ера (1 млрд — 538,8 млн років тому): За цим етапом слідувало тимчасове падіння рівня кисню, після якого відбувся новий, значний стрибок. Це насичення киснем, що почалося після серії глобальних зледенінь, сприяло появі складних багатоклітинних організмів.

Палеозойська ера (538,8 — 252 млн років тому): Цей період, відомий як «Кембрійський вибух», ознаменувався різким зростанням різноманітності тварин. Вищий рівень кисню дозволив тваринам вирости до більших розмірів і розвинути складніші форми життя.

Етапи насичення киснем атмосфери Землі

Дослідження показало, що приблизно 410 мільйонів років тому рівень кисню в атмосфері Землі досяг стабільних, схожих на сучасні, значень.

Одним із ключових висновків дослідження є те, що після неопротерозойського зростання кисню в атмосфері, океани, які до цього були майже позбавлені кисню, почали переживати періодичні імпульси окислення. Ці події, що відбувалися протягом сотень мільйонів років, призвели до синхронізованих зрушень у записах ізотопів вуглецю, сірки та кисню, що свідчить про те, що зростання атмосферного кисню неодноразово спричиняло тимчасове окислення океанів.

«Результати дослідження забезпечують екологічну основу для розуміння походження та еволюції життя на Землі, а також для утворення мінеральних і нафтових родовищ», — підсумував доктор Додд.

Це нове розуміння минулого нашої планети дає можливість краще зрозуміти, як життя пристосовується до глобальних змін, і пропонує важливі підказки для пошуку життя на інших планетах.

Нагадаємо, обертання Землі поступово сповільнюється з моменту її утворення близько 4,5 мільярда років тому. На думку вчених, саме це уповільнення могло відіграти ключову роль у появі кисню в атмосфері.