Кога се е появил кислородът в океана? Нови доказателства за Голямото кислородно събитие

Голямото кислородно събитие, настъпило преди около 2,4-2,2 милиарда години, се смята за повратна точка в историята на планетата. В земната атмосфера, която преди това е била без кислород, започва да се натрупва свободен кислород. Това се потвърждава от геоложките данни.

Голямото (на някои места Великото) кислородно събитие (G.O.E.) е ключов момент в историята на Земята, преди около 2.4 милиарда години, когато цианобактериите започват да произвеждат кислород чрез фотосинтеза, насищайки атмосферата и океаните, което води до първото масово измиране на анаэробните (безкислородни) организми, но и проправя пътя за еволюцията на сложния, кислород-зависим живот, като същевременно предизвиква и „Кислородната катастрофа“ или „Ледниковия период“ с изчезването на парниковия метан

При океаните обаче ситуацията е по-сложна. Дали повишаването на концентрацията на кислород във въздуха е означавало, че и водата автоматично се е насищала с окислителя? Ново изследване на геолози от САЩ, Китай, Южна Африка и Обединеното кралство дава отрицателен отговор на въпроса за мигновеността, но положителен отговор на въпроса за неизбежността. С помощта на анализ на изотопите на ванадия учените са установили точния момент, в който повърхностните води на океана са преминали критичния праг на окисляване.

Проблемът с „невидимия“ интервал

Учените определят наличието на кислород в древната атмосфера по изчезването на специфични признаци в скалите – масово независимо фракциониране на изотопите на сярата. Когато тези аномалии изчезват от геоложкия запис (преди около 2,32 милиарда години), това е ясен маркер: в атмосферата се е появил кислород.

Но какво се е случвало във водата? Съществува празнина в познанията за интервала между 2,43 и 2,22 милиарда години. Традиционните методи даваха противоречиви данни: някои показваха колебаещи се нива на кислород, а други – пълна аноксия (условия без кислород). Биосферата се нуждае не само от следи от кислород, но и от постоянна концентрация на кислород.

Ванадият като индикатор

За да реконструират химичния състав на древните морета, авторите на изследването са използвали изотопи на ванадия. Този метод работи благодарение на химичните свойства на елемента:

1. Редокс чувствителността: ванадият променя поведението си в зависимост от това дали във водата има кислород.
2. Поведението при липса на кислород: при аноксични условия ванадият се редуцира и активно се прехвърля от водата към дънните седименти. Това променя изотопния състав на останалата морска вода.
3. Кислородно поведение: при концентрации на разтворен кислород над 10 микромола ванадият се свързва с железните и мангановите оксиди. Това води до друга изотопна промяна.

Анализирайки шисти на възраст 2,32-2,26 милиарда години от формацията Трансваал (Южна Африка), изследователите успяват да разчетат състава на морската вода по това време.

Критичната промяна: преди 2,32 милиарда години

Данните показват драматична положителна промяна в изотопния състав на ванадия в слоевете, съответстваща на възраст от 2,32 милиарда години.

Преди този период океанът е бил предимно аноксичен. Ванадият се е отделял от водата само при редуциращи условия. Но преди 2,32 милиарда години механизмът се е променил. Изотопната промяна показва глобално разширяване на морските зони, в които концентрацията на разтворен кислород е надвишавала прага от 10 µM.

Това не означава, че целият океан се е наситил с кислород. Дълбочините са останали безкислородни и богати на желязо. Но плитките шелфове, най-биологично продуктивните зони, се насищат постоянно с кислород. Водата в тези зони влиза в равновесие с богатата на кислород атмосфера.

Връзката с другите елементи

Новите данни за ванадия са в съответствие с по-ранните данни за изотопите на талия. Изотопите на талия показват погребване на мангановите оксиди, което също изисква кислород. Ванадият обаче дава по-точна количествена оценка: той потвърждава, че кислородът е бил достатъчен не само за окисляването на мангана, но и за поддържането на стабилна концентрация над 10 µM.

Защо трябва да знаем това?

Това проучване запълва важна празнина в разбирането ни за еволюцията на Земята.

• Синхронизиране: Окисляването на повърхностния океан е настъпило почти едновременно с окончателното окисляване на атмосферата. Това показва, че системата атмосфера-океан е реагирала бързо.
• Стабилност: промяната е била еднопосочна. От преди 2,32 милиарда години насам кислородните оазиси в плитките води се разширяват, за да се превърнат в постоянна характеристика на планетата.
• Биологичните последици: стабилното наличие на кислород (повече от 10 µM) в повърхностните води е създало основа за развитието на по-сложен живот. Еукариотите, които се нуждаят от повече енергия и следователно от кислородно дишане, се сдобили с необходимите местообитания.

Заключение

Геологията показва, че е имало сложен химичен процес на преустройство на всички планетарни резервоари. Ванадиевите изотопи потвърждават: преди 2,32 милиарда години океанските шелфове са престанали да бъдат мъртви зони и са се превърнали в химически активна среда, готова да поддържа аеробен живот. Световният океан дълго време е оставал аноксичен в дълбочина, но повърхността вече е дишала.