автор: Кристал Касал, Phys.org
Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2534056123
На протяжении большей части своего существования, длившегося 4,5 миллиарда лет, Земля практически не содержала кислорода. Так продолжалось до тех пор, пока определенные процессы не привели к постепенному накоплению кислорода до нынешнего уровня (около 21 % в атмосфере). Ученые выяснили приблизительные сроки повышения уровня кислорода и знают о некоторых механизмах, лежащих в его основе, но главный фактор, повлиявший на долгосрочное насыщение Земли кислородом, до сих пор неясен.
В новом исследовании рассматривается вопрос о том, повлияли ли изменения в характере субдукции — процесса погружения тектонических плит — на уровень кислорода на Земле с течением времени. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, указывает на процесс, называемый холодной субдукцией, как на основной фактор повышения уровня кислорода на Земле, что в конечном итоге сделало нашу планету более пригодной для жизни.
Атмосфера, богатая кислородом, формировалась в три этапа
Геологические и геохимические данные свидетельствуют о том, что атмосфера Земли, вероятно, обогащалась кислородом в три основных этапа, что сделало возможным появление сложных форм жизни. Первое значительное увеличение содержания кислорода в атмосфере, известное как Великое событие оксигенации (или окисления) (Great Oxygenation Event. GOE), произошло примерно 2,4–2,0 миллиарда лет назад. В результате этого события в поверхностном слое океана повысился уровень кислорода, а в морских отложениях ускорилось движение и накопление чувствительных к окислительно-восстановительным процессам микроэлементов, что в конечном итоге привело к появлению первых эукариотических форм жизни.
После миллиардного периода, получившего название «скучный миллиард», произошло неопротерозойское событие оксигенации (НОС), которое длилось примерно с 800 до 540 миллионов лет назад. И, наконец, третье повышение уровня кислорода, названное палеозойским событием оксигенации (ПСО), произошло 450–250 миллионов лет назад и привело к тому, что уровень кислорода стал таким же, как сейчас. Согласно некоторым исследованиям, это событие привело к увеличению размеров организмов и появлению более разнообразных и специализированных хищников. По мнению авторов нового исследования, такие факторы, как фотосинтез, последующая смена доминирующих первичных продуцентов от водорослей к сосудистым растениям, резкое сокращение подводного вулканизма и окисление верхней мантии, а также другие второстепенные процессы, вероятно, повлияли на выработку и накопление кислорода на Земле. Однако, по их мнению, одних этих факторов было недостаточно для достижения современного уровня кислорода.
Команда исследователей пишет: «Однако неясно, как эти процессы могут объяснить долгосрочную динамику насыщения кислородом земной поверхности, в том числе потенциальные скачкообразные изменения, представленные в данных GOE, NOE и POE. Таким образом, первопричина долгосрочного насыщения кислородом земной поверхности остается загадкой».
Погружение кислородных поглотителей
Команда исследователей предположила, что более важную роль сыграло усиление холодной субдукции — тектонического процесса, при котором холодные океанические плиты погружаются в мантию Земли. По их мнению, холодная субдукция, вероятно, способствовала погружению органического углерода и пирита в мантию Земли. Поскольку углерод и пирит легко вступают в реакцию с кислородом, их восстановление в конечном итоге приводит к уменьшению количества кислородных поглотителей. Это, в свою очередь, способствовало повышению уровня кислорода в атмосфере. Чтобы оценить, повлияли ли изменения в стилях субдукции на уровень кислорода, команда составила временной ряд метаморфических соотношений температуры и давления на основе данных о горных породах, распространенных по всему миру, за последние 4 миллиарда лет. Эта информация дает исследователям представление об истории субдукции и позволяет примерно определить, какой тип субдукции происходил в разное время.
По их словам, тенденции изменения температуры и давления, в частности охлаждение, характеризующееся низким соотношением температуры и давления, в целом совпадают с данными, полученными с помощью GOE, NOE и POE. По словам авторов, «низкие значения T/P наблюдались в течение двух основных интервалов: в палеопротерозое (примерно с 2,2 до 1,8 млрд лет назад) и с середины неопротерозоя до наших дней (менее 0,8 млрд лет назад), что в целом совпадает с предполагаемыми периодами глобальной океанической экспансии и неотектонической океанической экспансии соответственно. Первый период с низкими значениями T/P соответствует началу холодной субдукции, связанной с формированием Нуны/Колумбии в результате конвергенции плит и коллизионного орогенеза».
«Несмотря на их немногочисленность, эти месторождения широко распространены, и мы полагаем, что они свидетельствуют об общем снижении термобарических условий, связанных со стабильной (непрерывной), а не нестабильной (кратковременной или эпизодической) субдукцией, которая способствовала доставке органического углерода (и пирита) в более глубокие слои мантии в глобальном масштабе».
Моделирование процесса насыщения кислородом за четыре миллиарда лет
Затем команда сопоставила геологические данные с биогеохимической моделью (COPSE), чтобы проверить гипотезу о том, что возникновение и развитие холодной субдукции за последние 4 миллиарда лет способствовали долгосрочному насыщению кислородом поверхности Земли. Для этого они смоделировали циклы кислорода, углерода и серы в системе, включающей в себя поверхностные, коровые и мантийные резервуары.
Моделирование показало, что более эффективная холодная субдукция может объяснить трехэтапное повышение содержания кислорода в атмосфере. Авторы исследования пишут: «Наша модель показывает, что по сравнению с современными значениями pO2 снижалось в два этапа, включая ступенчатое снижение pO2 с наших дней примерно до 1,0 млрд лет назад, переменное значение pO2 в течение «скучного миллиарда», а затем «значительное окисление» атмосферы в период между 2,0 и 2,4 млрд лет назад, что в конечном итоге привело к архейскому состоянию с очень низким содержанием кислорода». Исследователи отмечают некоторые ограничения своего исследования. По их словам, метаморфические данные являются неполными и необъективными из-за сохранности и репрезентативности образцов, а их модель упрощает систему Земли, оставляя неизменными многие переменные, за исключением стиля субдукции. Из-за этих ограничений, по их словам, результаты носят скорее качественный характер и сосредоточены на долгосрочных тенденциях, а не на точных показателях содержания кислорода. Тем не менее исследование дает представление о том, как тектоника Земли влияла на атмосферу и жизнь в целом, а также о том, что холодная субдукция, вероятно, играла важную роль в этом процессе.
Эта статья, написанная для вас нашим автором Кристал Касал, отредактированная Габи Кларк и проверенная на достоверность Робертом Иганом, является результатом кропотливой работы.
Сведения о публикации
Вэй Ши и др., «Субдукция повлияла на долгосрочное насыщение кислородом поверхности Земли», Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2534056123
Информация о журнале: Proceedings of the National Academy of Sciences