Кислород в земной атмосфере накопился в достаточных для дыхания объемах еще до появления первых животных, свидетельствуют исследования древних пород. Результаты этой работы, пусть и потерявшие былую сенсационность после корректировок, были опубликованы в журнале Gondwana Research.
Капсулы времени
Атмосферный состав непрерывно изменяется, однако этот процесс происходит крайне медленно. Изучить динамику изменений можно благодаря древним воздушным пузырькам, сохранившимся в полярных ледяных кернах, но эта информация охватывает лишь последние шесть миллионов лет. Для изучения более ранних периодов необходим совершенно новый методологический подход.
Такой подход включает исследование микроскопических включений древних жидкостей и газов, сохранившихся в минералах, таких как соли, кварц и кристаллическая магма, объясняет американский геохимик Морган Шаллер из Политехнического института Ренсселера. По его словам, это важный прорыв в исследовании истории нашей планеты: «Думаю, никто не рассчитывал обнаружить такие первозданные образцы воздуха в этих источниках».
Геологи уже давно знали, что горные породы могут хранить информацию об атмосферном составе. Так, при охлаждении магмы возникающие дефекты в растущих кристаллах способны захватить окружающие газы и жидкости, формируя своего рода «капсулы времени». Однако извлечение этих капсул представляет собой сложную задачу.
«Казалось бы, всё просто: найти газ и проанализировать, — комментирует геохимик Рэймонд Берджесс из Манчестерского университета. — Но когда дело касается столь отдаленных геологических эпох, ситуация значительно усложняется».
Благородный подход
Для выделения газов ученые дробят горные породы и подвергают их воздействию вакуума, постепенно увеличивая давление. При разных уровнях давления различные элементы породы разрушаются, освобождая захваченные газовые включения, которые затем исследуются с использованием масс-спектрометрии. Многократное повторение процедуры на большом числе образцов позволяет собрать достаточное количество газа для анализа.
Одним из первых исследователей, добившихся успеха таким методом, стал геохимик Бернар Марти из Университета Лотарингии. В начале 2010-х годов он извлек благородные газы из кварца и барита в Западной Австралии. Анализ изотопов показал возраст этих газов — более трех миллиардов лет, что вызвало сомнения среди коллег.
«Этот воздух принадлежит архейскому периоду, — отметил Гийом Авис, сотрудник Марти и геохимик из Парижского института физики планет. — Это действительно очень древние газы».
Недавно команда Авинса провела исследования в индийском кратере Дхала глубиной 11 километров, который возник примерно два миллиарда лет назад от падения крупного метеорита. Горячие подземные воды заполнили образовавшиеся трещины, и с течением времени осаждались гидротермальные минералы, образуя агат. Полученный из него газовый образец стал первым свидетельством атмосферы протерозойской эры, пришедшей на смену архейской. По словам Авинса, содержание аргона-40 было лишь незначительно больше, чем в архее, что может указывать на значительное снижение вулканической активности в течение нескольких сотен миллионов лет.
Команда Шалллера занимается исследованием галитовых солей, отложившихся в мелководных озерах, аналогичных тем, что встречаются в Долине Смерти. Когда днем вода нагревается, соль кристаллизуется, образуя на поверхности тонкие слои, способные захватывать воздушные и водяные пузырьки. Как отмечает Шаллер, эти структуры могут храниться длительное время.
Однако проблема заключается в том, что в ограниченном объеме некоторые газы растворяются в воде, что влияет на точность измерений. Тем не менее, совершенствование методов анализа позволило ученым учитывать этот эффект и получать более точные данные.
Сенсация с поправкой
Анализ галитов привел к поразительным открытиям: задолго до возникновения первых животных уровень кислорода в атмосфере уже достиг значений, пригодных для дыхания.
В своей публикации 2016 года в журнале *Geology* геохимик Найджел Блейми из Университета Западного Онтарио утверждал, что 815 миллионов лет назад концентрация кислорода составляла целых 11%. В еще неопубликованном исследовании, проведенном на российских породах возрастом два миллиарда лет, была обнаружена концентрация кислорода на уровне 16% — близкая к современной. Оба результата оказались гораздо выше прежних предположений, согласно которым уровень кислорода оставался крайне низким вплоть до 800 миллионов лет назад, пока его резкий подъем не стимулировал развитие животной жизни.
Шаллер ставит под сомнение эти выводы главным образом потому, что они игнорируют влияние растворенного газа, что он сам учитывает в своем подходе. Учитывание данного фактора показывает, что 815 миллионов лет назад кислород составлял не 11%, а всего 6,6% — цифра все еще превышает предыдущие оценки, но уже не настолько существенно.
