Группа исследователей из Дании, Великобритании и Уругвая, которой руководил профессор Роберт Фрей из Копенгагенского университета, впервые сумела восстановить детальную картину появления у Земли кислородной атмосферы и выявить факт временного падения уровня содержания кислорода около двух миллиардов лет назад. Всего новый анализ охватывает период в 3,8 млрд лет.

Согласно прежним геохимическим исследованиям, кислород в изначально беcкислородной земной атмосфере стал накапливаться 2,45-2,2 млрд лет назад (в начале протерозоя). Это событие геологи почтительно называют Великой Кислородной Катастрофой или Глобальным Окислением (GOE). Следующий заметный (почти «взрывной», по геологическим понятиям) рост содержания кислорода в атмосфере наблюдался примерно 750 млн лет назад. Выяснить, как именно колебался уровень O₂ в промежутке между этими событиями, до последнего времени не удавалось. Попытки использовать в качестве «маркеров» изотопы молибдена, рения и других металлов давали весьма противоречивые результаты. Оставалось непонятным, когда кислород впервые начал накапливаться в атмосфере, каковы были темпы этого накопления и не было ли периодов, когда уровень кислорода, наоборот, снижался. Между тем, вопрос о накоплении кислорода необычайно важен, поскольку он тесно связан с процессом появления и дальнейшей эволюцией жизни на нашей планете.

Группа Фрея провела свой анализ, изучив содержание разных изотопов хрома в древних океанических осадочных слоях, богатых железом. Им удалось, в частности, показать, что повышение уровня атмосферного кислорода 580 млн лет назад совпало с важнейшими эволюционными изменениями в земной фауне – появлением первых крупных и достаточно сложно развитых живых организмов, вышедших со временем на сушу.

По мнению Фрея и его коллег, кислород появился в поверхностных водах океана уже 2,8-2,6 млрд. лет назад – это по крайней мере на 200 млн лет раньше, чем результаты других изотопных методов. Однако самым удивительным выводом можно считать утверждение, согласно которому около 1,9 млрд/ лет назад уровень содержания кислорода внезапно сократился едва ли не до того ничтожного количества, которым атмосфера Земли обходилась до Великой Кислородной Катастрофы (менее 1% от сегодняшнего уровня). То есть поступление кислорода в атмосферу на ранних этапах существования нашей планеты было весьма нестабильным (а в дальнейшем содержание кислорода уже никогда не снижалось столь заметным образом).

Метод, использованный в данной работе для индикации количества кислорода в атмосфере Земли, основан на наблюдаемой зависимости степени мобильности хрома и его соединений от концентрации атмосферного кислорода. Если количество кислорода в атмосфере уменьшается, то происходит связывание хрома в горных породах, в ходе которого каждый атом хрома теряет по три электрона и происходит его окисление (в наиболее устойчивых соединениях хрома степень его окисления составляет +3 (Сr³⁺)).

Наоборот, когда уровень кислорода растет, металлический марганец, содержащийся в тех же породах, может превращаться в оксид марганца, который в свою очередь забирает электроны у связанных атомов хрома, переводя его в 6-валентное состояние (Сr⁶⁺). В результате максимально окисленные формы хрома с большой вероятностью будут вымываться дождевой водой и попадать в океан. Оказавшись там, хром реагирует с железом и включается в состав его соединений в своей наиболее устойчивой форме +3.

Важно отметить, что тяжелый изотоп хрома (Cr-53) в большей степени вымывается из пород в океан, чем более легкий Cr-52. Значит, путем сравнения относительных количеств тяжелых и легких изотопов хрома в железистых кварцитах можно выяснять, сколько именно кислорода было в атмосфере в то время, когда эти изотопы содержались в связанном состоянии в скальных породах.

Конечно, общая картина взаимодействия хрома с оксидами марганца, железа и др. может быть сложнее, и процессы выветривания хрома должны быть дополнительно исследованы для того, чтобы все выводы, содержащиеся в данной работе, стали бесспорными. Однако важно уже то, что теперь ученым впервые удалось не просто определить общую тенденцию, связанную с накоплением кислорода, но и отследить колебания уровня его содержания в атмосфере.

Следующий естественный вопрос: насколько тесно связаны эти колебания с появлением и развитием первых живых организмов, способных к фотосинтезу? (По всей видимости, первоначально это были так называемые анаэробные микроорганизмы, не нуждающиеся в кислороде для фотосинтеза и, наоборот, высвобождающие его из соединений с углеродом.) К сожалению, окончательного ответа на этот вопрос пока не получено.

Источник информации - заметка М.Борисова в газете ПерсТ, выпуск 37