Причиной всплеска жизни и роста уровня кислорода в конце архея назвали вулканизм

Проанализировав содержание и изотопные соотношения ртути в сланцах из древней платформы Пилбара в Западной Австралии, геохимики пришли к выводу о существовании связи между вулканизмом и ранними всплесками концентрации кислорода в океанах Земли в архейском эоне. Выветривание базальтов, образовавшихся до интервала оксигенации, отмеченного около 2,45 миллиарда лет назад, привело к поступлению в океан значительного количества фосфора и других питательных веществ. Их приток способствовал росту биологической продуктивности, результатом чего стало повышение уровня кислорода. Об исследовании сообщает статья в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Первичная атмосфера сформировалась в ходе дегазации недр молодой Земли при вулканических извержениях и носила восстановительный характер. В ее состав входили водяные пары, углекислота, метан, аммиак, сероводород, так называемые «кислые дымы» (соединения HF, HCl и другие, образующие при растворении в воде галогеновые кислоты). Кислород стал поступать сначала в океан, а затем и в земную атмосферу в результате деятельности ранних организмов — оксигенных фотосинтетиков, первыми из которых считаются цианобактерии.

Исследования осадочных пород, содержащих следы древней жизни в форме сдвига соотношения изотопов углерода ¹³C и ¹²C, которые по-разному фиксируются фотосинтетиками, и в виде строматолитов (ископаемых остатков цианобактериальных сообществ), показывают, что организмы, продуцирующие кислород, появились на Земле, по-видимому, очень рано. Первые достоверные признаки их существования обнаружены в формации Дрессер в пределах кратона Пилбара (Западная Австралия). Их возраст оценивается в 3,48 миллиарда лет. Известны и более древние находки в формациях Исуа (Гренландия) возрастом приблизительно 3,7 миллиарда лет, Нуввуагиттук в Квебеке (Канада), датируемые временем между 4,3 и 3,7 миллиарда лет, а также на севере Лабрадора (Канада) возрастом около 3,95 миллиарда лет, но их интерпретация пока носит предположительный характер.

Серьезного влияния на состояние земной атмосферы самые первые кислородные фотосинтетики не оказывали. Устойчиво-окислительной атмосфера стала, по-видимому, в начале протерозоя, в течение промежутка времени от 2,45 до 2 миллиардов лет назад, когда концентрация кислорода установилась на уровне точки Пастера (около одного процента от современного содержания). При такой концентрации факультативные анаэробы — организмы, способные жить как в бескислородной, так и в кислородной среде — переходят от ферментации (брожения) к энергетически более выгодному дыханию. Этот этап в эволюции атмосферы получил название «Великого кислородного события». Однако в настоящее время ученым ясно, что в действительности это был длительный процесс, в ходе которого содержание кислорода отличалось непостоянством, и его сдвиг к точке Пастера далеко не сразу приобрел глобальный характер.

Ведущая роль в этом процессе принадлежала, очевидно, геологическим явлениям, и в первую очередь вариациям интенсивности вулканической активности. Биологические всплески и связанные с ними события оксигенации (выбросы кислорода) проявлялись как отклик на изменения геохимии, вызванные деятельностью вулканов и последующей судьбой вулканических продуктов в океане и на суше.

Исследователи из Великобритании и США во главе с Яной Мейкснеровой (Jana Meixnerová) из Вашингтоского университета в Сиэтле проанализировали, как в геохимическом составе отражаются изменения в режиме вулканизма и эрозии вулканогенных пород. Для этого они изучили колебания соотношения стабильных изотопов ртути в пиритсодержащих черных сланцах возрастом около 2,5 миллиарда лет из формации Маунт-Макрей с южной окраины западно-австралийского кратона Пилбара. Исследованию подверглись 44 образца, отобранных в сланцевом массиве на глубинах стратиграфического разреза от 125 до 190 метров. Затем ученые соотнесли полученные результаты с данными о росте оксигенации 2,45 миллиарда лет назад, известными по показателям содержания общего органического углерода (TOC), серы, фосфора, алюминия, железа и молибдена.

Атомарная ртуть поступает в океан и в атмосферу при вулканических извержениях. В воде она нерастворима, но в атмосфере под действием солнечного ультрафиолета атомы ртути ионизуются и приобретают высокую реакционную способность. Попадая в составе осадков на поверхность, они адсорбируются органическими молекулами или сульфидными минералами и попадают в осадочные отложения. В архейском эоне, практически при отсутствии озонового слоя, время существования газообразной ртути в атмосфере было, по-видимому, весьма кратким.

Стабильные изотопы ртути в природе могут подвергаться как масс-зависимому (MDF, mass-dependent fractionation), так и масс-независимому (MIF, mass-independent fractionation) фракционированию. Характер последнего определяется четностью или нечетностью массового числа изотопа. В то время как MDF-процесс ассоциирован с большинством абиотических и биотических вариантов ртутного геохимического цикла, масс-независимое фракционирование требует различных условий. MIF четных изотопов ртути (Δ ²⁰⁰Hg и Δ ²⁰⁴Hg) протекает при фотохимических превращениях в тропопаузе или стратосфере, а нечетных (Δ ¹⁹⁹Hg и Δ ²⁰¹Hg) — в нижней атмосфере и в поверхностных водах. Поэтому с его помощью можно различить древние проявления подводного и субаэрального вулканизма, а также узнать, задерживался ли ультрафиолет озоновым слоем, то есть получить представление о кислородной обстановке.

Ученые обнаружили два пика содержания ртути в образцах, отобранных на глубинах 173,5 и 137,31 метра. Продолжительность временного интервала между образованием осадочных слоев, содержащих эти максимумы, составляет около 4,9 миллиона лет. Для нижнего, более древнего слоя характерны положительные изотопные метки Δ ¹⁹⁹Hg и Δ ²⁰¹Hg, соответствующие накоплению вулканогенной ртути, которая подвергается воздействию УФ-лучей вблизи земной поверхности. Эта часть массива обеднена редокс-индикаторами (микроэлементами, чувствительными к изменению окислительно-восстановительного потенциала), такими как молибден. Кроме того, она демонстрирует низкое содержание фосфора и меньший, чем в верхнем выбросе, показатель уровня общего органического углерода. Очевидно, значительной оксигенации в это время не происходило, а вулканическая активность была высокой.

В верхнем слое Мейкснерова с коллегами отметили отрицательные значения соотношений фракционирования для нечетных изотопов ¹⁹⁹Hg и ²⁰¹Hg, а сигнатура Δ ²⁰⁰Hg отличалась небольшой положительной аномалией. При этом в осадочной породе повышено содержание молибдена, серы, фосфора и углерода органического происхождения. Исследователи предположили, что в этот более поздний период произошел всплеск биологической продуктивности, сопровождавшийся ростом концентрации кислорода, а основным источником ртути в осадках в это время было окислительное выветривание.

Эрозия должна была затронуть недавно сформировавшиеся вулканогенные базальтовые массивы, из которых в океан попадали питательные вещества, в первую очередь фосфор. Они стимулировали активность фотосинтезирующих организмов. Вулканическая деятельность в Маунт-Макрей в эту эпоху, по-видимому, прекратилась. Временной промежуток в 4,9 миллиона лет между событиями, отмеченными повышенной сигнатурой ртути, согласуется со средним сроком существования крупных вулканических провинций — от одного до пяти миллионов лет.

Изотопный анализ дает возможность представить, как в архее инициировались всплески биологической активности, приводившие к образованию «кислородных карманов» в атмосфере Земли. Вулканы нарабатывали твердый материал, содержащий необходимые для жизни микроэлементы. В последующие, более спокойные эпохи он вымывался в океан, где служил источником продуктивности древней биосферы. Авторы исследования считают, что этот механизм сыграл ведущую роль не только в периоды локальных повышений концентрации кислорода, но и в становлении устойчиво-окислительных условий в глобальном масштабе в начале протерозоя.

Ранее ученые рассказали о том, что изотопный анализ ксенона в породах возрастом три миллиарда лет может помочь в определении состава архейской атмосферы, установили, что в раннем архее поверхность Земли была покрыта глобальным океаном, и выяснили, что каждый из классов цианобактерий самостоятельно изобрел кислородное дыхание.