Содержание кислорода в атмосфере Земли менялось скачком

Полосчатые железорудные формации, образовавшиеся более 2 млрд. лет тому назад при окислении кислородом атмосферы восстановленных соединений железа. Из подобных руд сложена и Курская магнитная аномалия. Фото Пола Хоффмана с его сайта

Предположение о том, что в силу каких-то причин вдруг произошло радикальное увеличение чистой первичной продукции (то есть прироста органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза цианобактерий), критики не выдержало. Дело в том, что при фотосинтезе преимущественно потребляется легкий изотоп углерода ¹²С, а в окружающей среде возрастает относительное содержание более тяжелого изотопа ¹³С. Соответственно, донные отложения, содержащие органическое вещество, должны быть обеднены изотопом ¹³С, который скапливается в воде и идет на образование карбонатов. Однако соотношение ¹²С и ¹³С в карбонатах и в органическом веществе отложений остается неизменным несмотря на радикальные изменения в концентрации кислорода в атмосфере. Значит, всё дело не в источнике О₂, а в его, как выражаются геохимики, «стоке» (изъятии из атмосферы), который вдруг существенным образом сократился, что и привело к существенному увеличению количества кислорода в атмосфере.

Обычно считается, что непосредственно до «Великого окисления атмосферы» весь образующийся тогда кислород расходовался на окисление восстановленных соединений железа (а потом серы), которых на поверхности Земли было довольно много. В частности, тогда образовались так называемые «полосчатые железные руды». Но недавно Колин Гольдблатт, аспирант Школы наук об окружающей среде при Университете Восточной Англии (Норвич, Великобритания), совместно с двумя коллегами из того же университета пришли к выводу о том, что содержание кислорода в земной атмосфере может быть в одном из двух равновесных состояний: его может быть или очень мало — примерно в 100 тысяч раз меньше, чем сейчас, или уже довольно много (хотя с позиции современного наблюдателя мало) — не менее, чем 0,005 от современного уровня.

В предлагаемой модели они учли поступление в атмосферу как кислорода, так и восстановленных соединений, в частности обратив внимание на соотношение свободного кислорода и метана. Они отметили, что если концентрация кислорода превышает 0,0002 от современного уровня, то часть метана уже может окисляться бактериями метанотрофами согласно реакции:
    CH₄ + 2O₂ > CO₂ + 2H₂O.
Но остальной метан (а его довольно много, особенно при низкой концентрации кислорода) поступает в атмосферу.

Результаты моделирования, демонстрирующие наличие резкого скачка (складки кривых, отмеченные точками) от одного равновесного уровня содержания свободного кислорода атмосферы до другого. Концентрация кислорода (по ординате) показана как функция потока восстановленных веществ (панель a) или величины чистой первичной продукции биосферы (панель b). Содержание кислорода выражено в долях от современного уровня (PAL — Present Atmospheric Level). Верхний край шкалы (100) — это современная концентрация. На панели a сплошная линия соответствует современной величине чистой первичной продукции океана, оцененной в количестве образовавшегося при фотосинтезе кислорода (3,75 ? 1015 молей О2 в год), а пунктирная линия — половине этого значения. Обе линии показаны точками там, где состояние всей системы крайне неустойчивое, переходное. Широкая серая полоса на той же панели — поступление восстановленных веществ, которое предположительно происходило в период образования полосчатых железных руд (2,69–2,44 млрд лет тому назад). Вертикальная серая линия слева от полосы — это уровень современного поступления восстановленного железа через гидротермы. На панели b сплошная линия графика соответствует современному поступлению восстановленного железа в океан, а пунктирная линия — тому, которое предполагалось до начала периода «Великого окисления». Как и в случае графиков на панели a, точками обе линии проведены там, где был переход от одного равновесного состояния к другому. Современный уровень первичной продукции океана показан серой вертикальной чертой. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Вся система находится в неравновесном состоянии с точки зрения термодинамики. Основной же механизм восстановления нарушенного равновесия — окисление метана в верхних слоях атмосферы гидроксильным радикалом (см. Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого, «Элементы», 06.10.2006). Гидроксильный радикал, как известно образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Но если кислорода в атмосфере много (по меньшей мере 0,005 от современного уровня), то в верхних ее слоях образуется озоновый экран, хорошо защищающий Землю от жестких ультрафиолетовых лучей и вместе с тем мешающий физико-химическому окислению метана.

Авторы приходят к несколько парадоксальному выводу о том, что само по себе существование оксигенного фотосинтеза не является достаточным условием ни для того, чтобы сформировалась богатая кислородом атмосфера, ни для того, чтобы возник озоновый экран. Данное обстоятельство следует учитывать в тех случаях, когда мы пытаемся найти признаки существования жизни на других планетах основываясь на результатах обследования их атмосферы.

Источник: Colin Goldblatt, Timothy M. Lenton, Andrew J. Watson. Bistability of atmospheric oxygen and the Great Oxidation // Nature. 2006. V. 443. P. 683-686.

Алексей Гиляров

<< Назад