Когда в океане появился кислород? Новые данные о Великом кислородном событии

Великое кислородное событие, произошедшее около 2,4-2,2 миллиарда лет назад, считается поворотной точкой в истории планеты. Атмосфера Земли, ранее бескислородная, начала накапливать свободный кислород. Это подтверждено геологической летописью.

Однако с океанами ситуация сложнее. Означал ли рост концентрации кислорода в воздухе, что и вода автоматически стала насыщенной окислителем? Новое исследование, проведенное геологами из США, Китая, ЮАР и Великобритании, дает отрицательный ответ на вопрос о мгновенности, но положительный — о неизбежности. Используя изотопный анализ ванадия, ученые точно определили момент, когда поверхностные воды океана перешли через критический порог оксигенации.

Проблема «невидимого» интервала

Ученые определяют наличие кислорода в древней атмосфере по исчезновению специфических сигнатур в породах — масс-независимого фракционирования изотопов серы. Когда эти аномалии исчезают из геологической летописи (примерно 2,32 млрд лет назад), это четкий маркер: в атмосфере появился кислород.

Но что происходило в воде? Существовал пробел в знаниях об интервале между 2,43 и 2,22 млрд лет назад. Традиционные методы давали противоречивые данные: одни указывали на колебания уровня кислорода, другие — на полную аноксию (бескислородные условия). Биосфера нуждается не просто в следах кислорода, а в его устойчивой концентрации.

Ванадий как индикатор

Чтобы реконструировать химический состав древних морей, авторы исследования использовали изотопы ванадия. Этот метод работает благодаря химическим свойствам элемента:

1. Редокс-чувствительность: ванадий меняет свое поведение в зависимости от того, есть ли в воде кислород.
2. Поведение в бескислородной среде: в аноксичных условиях ванадий восстанавливается и активно переходит из воды в донные осадки. Это меняет изотопный состав оставшейся морской воды.
3. Поведение в кислородной среде: при концентрации растворенного кислорода выше 10 микромоль ванадий связывается с оксидами железа и марганца. Это создает другой изотопный сдвиг.

Анализируя сланцы возрастом 2,32-2,26 млрд лет из формаций Трансвааль (Южная Африка), исследователи смогли прочитать состав морской воды того времени.

Критический сдвиг: 2,32 миллиарда лет назад

Данные показали, что в слоях, соответствующих возрасту 2,32 млрд лет, происходит резкий позитивный сдвиг в изотопном составе ванадия.

До этого момента океан был преимущественно аноксичным. Ванадий удалялся из воды только в восстановительных условиях. Но 2,32 млрд лет назад механизм изменился. Сдвиг изотопов указывает на глобальное расширение морских зон, где концентрация растворенного кислорода превысила порог в 10 мкМ.

Это не означает, что весь океан стал насыщенным кислородом. Глубины оставались бескислородными и богатыми железом. Однако мелководные шельфы — наиболее продуктивные с точки зрения биологии зоны — стали устойчиво оксигенированными. Вода на этих участках пришла в равновесие с обогащенной кислородом атмосферой.

Связь с другими элементами

Новые данные по ванадию согласуются с ранее полученными данными по изотопам таллия. Изотопы таллия указывали на захоронение оксидов марганца, что также требует наличия кислорода. Однако ванадий дает более точную количественную оценку: он подтверждает, что кислорода было достаточно не только для окисления марганца, но и для поддержания стабильной концентрации выше 10 мкМ.

Зачем нам это знать?

Это исследование закрывает важный пробел в понимании эволюции Земли.

1. Синхронность: оксигенация поверхностного океана произошла практически одновременно с окончательным насыщением атмосферы кислородом. Это указывает на то, что система «атмосфера-океан» среагировала быстро.
2. Устойчивость: сдвиг был однонаправленным. Начиная с 2,32 млрд лет назад, кислородные оазисы на мелководье расширились и стали постоянной чертой планеты.
3. Биологические последствия: стабильное наличие кислорода (более 10 мкМ) в поверхностных водах создало фундамент для развития более сложной жизни. Эукариоты, которым требуется больше энергии и, следовательно, кислородное дыхание, получили необходимую среду обитания.

Вывод

Геология показывает, что был сложный химический процесс перестройки всех планетарных резервуаров. Изотопы ванадия подтвердили: 2,32 миллиарда лет назад океанские шельфы перестали быть мертвыми зонами и превратились в химически активные среды, готовые поддерживать аэробную жизнь. Глобальный океан еще долго оставался аноксичным на глубине, но поверхность уже дышала.

Источник: Nature