Насыщение кислородом глубин океана произошло значительно позже, чем появление первых животных

Проанализировав степень окисленности железа в базальтовых лавах, изливавшихся в разные периоды геологического времени на океаническое дно, американские геохимики восстановили историю насыщения кислородом глубинных частей океана. Так как степень насыщенности кислородом вод океана напрямую связана с парциальным давлением кислорода в атмосфере, ученые выяснили и то, когда содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня. Это произошло значительно позже, чем возникли первые виды животных.

Считается, что в самом начале протерозоя, примерно 2,5–2,2 млрд лет назад, в земной атмосфере впервые появился свободный кислород — произошла так называемая кислородная катастрофа (подробнее об этой гипотезе см. в новости «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014). В результате общий характер атмосферы изменился с восстановительного на окислительный. До этого как на поверхности Земли и в атмосфере, так и в водах мирового океана царила бескислородная среда. Кислород возникал в верхних слоях атмосферы в процессе фотодиссоциации углекислого газа и воды, но практически весь расходовался на окисление других газов и поглощался земной корой. В конце протерозоя содержание кислорода в атмосфере стало стремительно расти в связи с появлением в  океане автотрофных фотосинтезирующих организмов. Сначала и он поглощался закисным железом, но после того, как содержание растворенного железа в океанах значительно уменьшилось, кислород стал накапливаться в гидросфере и атмосфере Земли.

Время начала глубинной океанской оксигенации (насыщения кислородом) — важный исторический рубеж в геологической истории Земли, с которым связано становление современных морских биогеохимических циклов и зарождение многих видов позднепротерозойской фауны, которой был жизненно необходим кислород. Считается, что глубины океана оставались практически лишенными кислорода между 2500 и 800 млн лет назад, а насыщение происходило 800–400 млн лет назад постепенно по мере роста парциального давления кислорода в атмосфере (P_O2 atm). В период 2,5–2,3 млрд лет назад на фоне общего роста значение этого показателя перевалило отметку 10⁻⁵ от современного (PAL — present atmospheric level), а начиная с 400 млн лет назад значение P_O2 atm превышало 70% PAL. Исходя из биогеохимических моделей, для того, чтобы произошла оксигенация глубинных зон океана, значение P_O2 atm должно составлять от 15 до 50% PAL. Считается, что в период 2500–800 млн лет P_O2 atm было ниже, а глубинные зоны океана были бескислородными или содержали первые микромоли молекул кислорода на килограмм воды. В настоящее время они содержат около 180 мкмоль О₂/кг воды.

Гипотеза кислородной катастрофы основывается на результатах изучения геохимических параметров и изотопного состава осадочных отложений, сохранившихся на шельфе и континентальном склоне ниже волновой зоны (глубже 100 м). Однако результаты этих исследований вряд ли можно распространять на всю площадь океанского дна со значительно большими глубинами.

Чтобы восполнить пробел в знаниях об оксигенации глубинных частей океана, американские геохимики Дэниэл Столпер (Daniel A. Stolper) и Брэнин Келлер (C. Brenhin Keller) из Калифорнийского университета в Беркли предложили геохимический метод, основанный на анализе отношения количества трехвалентного железа к общему количеству железа (то есть степени окисленности железа, Fe⁺³/ΣFe) в древних гидротермально измененных базальтовых лавах, изливавшихся на морское дно. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Несмотря на то, что большая часть древних (домезозойских) базальтов к настоящему моменту исчезла в зонах субдукции, их фрагменты все же сохранились в офиолитовых комплексах, представляющих собой деформированные участки древней океанической литосферы. Авторы собрали данные по значениям Fe⁺³/ΣFe в базальтах из 73 офиолитовых комплексов. Всего были использованы данные по 1085 пробам, охватывающие период 3503–14 млн лет назад. В выборке участвовали только подводные базальты экструзивных фаций, так как экструзииформировались именно в местах наибольшей проницаемости океанической коры для морской воды. Помимо данных из офиолитовых комплексов, авторы использовали аналитику по образцам кернов, полученным в ходе реализации программ глубоководного бурения (1151 определение по 71 образцу). Результаты приведены на рис. 2.

Как видно из рис. 2, средние значения Fe⁺³/ΣFe для архея (более 2500 млн лет назад), раннего и среднего протерозоя (2500–1000 млн лет) и позднего протерозоя (1000–541 млн лет), составляющие 0,20–0,26, находятся в пределах интервала значений для современных неизмененных (неокисленных) океанических базальтов (0,10–0,31). Это значит, что они изливались в бескислородной среде. При этом значения Fe⁺³/ΣFe оставались стабильными (в пределах погрешности измерений) в течение всего докембрия (около трех миллиардов лет).

Начиная с кембрийского периода (рубеж докембрия и фанерозоя) фиксируется устойчивый и постоянный рост средних значений Fe⁺³/ΣFe. Для раннего палеозоя (541–420 млн лет) этот параметр составляет 0,34; для позднего палеозоя (420–252 млн лет) — 0,47; для мозозойско–кайнозойских базальтов (менее 252 млн лет) — 0,58. Для современных базальтовых лав, изливающихся на морское дно (их еще называют подушечными лавами благодаря особым образованиям в виде подушковидных тел, рис. 1), характерна высокая степень окисленности железа, связанная с циркуляцией насыщенной кислородом морской воды в верхних слоях океанической земной коры. На диаграмме также хорошо видно, что образцы базальтовых лав, полученные из кернов буровых скважин, менее окислены, чем современные подушечные лавы, изливающиеся на поверхность.

Следующим шагом в исследовании американских геохимиков стало вычисление на основе параметра Fe⁺³/ΣFe содержания свободного кислорода в придонной воде (рис. 3).

Видно, что на рубеже архея и протерозоя бескислородный режим сменяется кислородным. Однако основная задача исследования заключалась не в том, чтобы подтвердить общепринятую гипотезу о том, что в течение всего докембрия среда в океанах была бескислородной, а затем сменилась на кислородную, а определить тот момент, когда кислорода в глубинах океана стало достаточно для бурного развития организмов.

Данные исследования указывают на то, что глубинная оксигенация, соответствующая значениям P_O2 atm > 15–50% PAL, имела место только в фанерозое (с 541 млн лет до настоящего времени), а скорее всего началась вообще не раньше позднего палеозоя (420 млн лет назад), в то время как первые животные появились значительно раньше (см. новость Животные появились свыше 635 миллионов лет назад, «Элементы», 09.02.2009) — в неопротерозое.

Еще одним важным выводом, полученным американскими учеными, является свидетельство того, что насыщенность кислородом вод океана нарастала постепенно в течение всего фанерозоя. До этого все биогеохимические модели исходили из того, что значение P_O2 atm практически не менялось с позднего палеозоя до наших дней.

Источник: Daniel A. Stolper, C. Brenhin Keller. A record of deep-ocean dissolved O₂from the oxidation state of iron in submarine basalts // Nature. 2018. DOI: 10.1038/nature25009.

Владислав Стрекопытов