Ученые из Канады, анализируя карельские горные породы, поставили под сомнение основную теорию развития Земли. Узнать, как развивалась наша планета 2 млрд лет назад, помогли стабильные изотопы.
В самом начале протерозоя, 2,3–2,4 млрд лет назад, на Земле произошла кислородная революция. Так называют глобальное изменение состава атмосферы нашей планеты. Резкий рост количества кислорода в атмосфере Земли создал предпосылки для возникновения современных форм жизни: началось формирование озонового слоя, резко уменьшился парниковый эффект, начали стремительно развиваться организмы с кислородным дыханием. Затем, около 2 млрд лет назад, уровень кислорода резко упал и оставался низким более миллиарда лет, а потом снова вырос до современных значений: сейчас в атмосфере этого газа порядка 21 %.
Действительно ли все было именно так, а главное — почему? Этим вопросом задались ученые из Университета Альберты (Канада).
«Мы решили разобраться, почему происходили колебания количества кислорода в атмосфере и как они связаны с развитием жизни на нашей планете, — рассказывает корреспонденту «Лаб. СР» руководитель исследования, сотрудник Университета Альберты Каарел Мянд. — Резкое снижение уровня кислорода — захватывающая научная проблема: мир вдруг перешел от атмосферы современного типа к среде с низким содержанием кислорода, и у нас пока нет даже догадок почему. Кроме того, это происходило приблизительно в то время, когда появились первые эукариоты — предшественники современных растений и животных. Мы знаем, что большинство эукариот обитают в среде, богатой кислородом. Парадоксально: почему эти организмы появились в то время, когда уровень содержания кислорода в атмосфере снова стал низким?»
Исследователи изучают прошлое планеты по изотопному составу древних пород. «Объект нашего исследования — осадочные породы района Онежского озера в Карелии. С помощью специалистов Карельского научного центра Российской академии наук в 2012 году мы пробурили два керна у села Шунга, — говорит Каарел Мянд. — Взяли образцы из керна и измерили их изотопный состав на масс-спектрометрах высокого разрешения: сначала в Европейском институте морских исследований (Франция), затем в Йельском университете (США)».
Изотопные исследования — один из основных источников знаний о ранней истории Земли. В их основе лежат различия в поведении изотопов одних и тех же элементов в химических реакциях — так называемое изотопное фракционирование. Типичный пример — углерод, у которого два стабильных изотопа, углерод‑12 и углерод‑13. Реакции фотосинтеза, которые выводят углерод из атмосферы, протекают в основном с углеродом‑12. Измеряя соотношение изотопов углерода в одном образце, можно выяснить, подвергался он фотосинтезу или нет.
Изотопному фракционированию подвержены и другие элементы, которые реагируют с кислородом: уран, молибден, хром.
«Мы анализировали породы, формирование которых захватило несколько периодов в истории Земли, изучали изотопный состав урана в них и получали временную шкалу уровня кислорода в истории планеты, — объясняет Каарел Мянд. — Различия в соотношении изотопов незначительны, поэтому нужны очень мощные масс-спектрометры для их измерения в природных образцах. К счастью, эти приборы сегодня есть в ряде научных центров. Наше исследование отличается от других тем, что мы уделяем внимание всем факторам, которые могут изменять соотношение изотопов, а не только атмосферному кислороду. Например, изотопные соотношения молибдена в осадочных породах зависят не только от кислорода, но и от типа среды, в которой образовались породы, и от различных процессов, которые могли происходить в породах в течение 3 млрд лет, проведенных в земле. Поэтому важно сначала оценить эти условия и процессы; только после этого вы можете интерпретировать уровень кислорода».
Результаты исследований канадских ученых обескураживающие для геохимии: кажется, никакого падения уровня кислорода не было. Они обнаружили, что уровень кислорода в породах шунгита двухмиллиардолетней давности оставался высоким. «Это удивительно: наши результаты прямо противоречат самой популярной теории развития Земли. Ранее исследователи обнаружили параллельную аномалию в соотношениях изотопов углерода осадочных пород примерно в то время, когда уровень кислорода был высоким, — отметил Каарел Мянд. — Они связали два процесса и решили, что, как только закончилась углеродная аномалия, кислород тоже снова упал до низких уровней. Мы же показали, что в то время, когда образовались шунгитовые породы и когда изотопная аномалия углерода уже осталась позади, уровень кислорода все еще был высоким. Наиболее распространенное объяснение динамики содержания кислорода в атмосфере Земли необходимо пересмотреть. На самом деле мы знаем гораздо меньше о механизмах, контролирующих состав атмосферы, чем мы думали».
Результаты также требуют переосмысления теории возникновения сложных форм жизни на планете. Раньше считалось, что эукариотам высокое содержание кислорода для развития не требовалось. Исследования канадских ученых могут эту идею опровергнуть.
Изучать историю Земли с помощью стабильных изотопов предложил американский физик, нобелевский лауреат Гарольд Юри. Он участвовал в Манхэттенском проекте по созданию ядерной бомбы, руководил исследованиями по отделению урана‑235 от урана‑238 с помощью механизмов фракционирования. Как и многие ученые Манхэттенского проекта, Юри был не очень рад своему участию в этой работе и хотел найти мирное применение для своих открытий. Как-то ему в руки попал учебник по геохимии. Читая его, Юри пришел к выводу, что происходящие в природе химические процессы также должны фракционировать изотопы в зависимости от температуры. Он предположил, что, если измерить изотопные соотношения в естественных образцах с достаточной точностью, можно рассчитать температуру, при которой формируются эти образцы. Гарольд Юри и его исследовательская группа создали теоретическую основу для изучения геохимии стабильных изотопов и разработали первые масс-спектрометры, достаточно точные для измерения эффектов на природных образцах.