Около 2,4 миллиарда лет назад земная атмосфера начала стремительно меняться. Содержание свободного кислорода, прежде остававшееся крайне низким, стало увеличиваться. Этот период известен как Великое кислородное событие.
Главным источником кислорода считается деятельность фотосинтезирующих микроорганизмов. Однако скорость его накопления зависела не только от того, сколько газа производили живые организмы, но и от геологических процессов, которые могли связывать кислород или способствовать его поступлению в атмосферу.
Международная группа исследователей из Китая и Нидерландов обнаружила ещё один возможный участник этого процесса. Результаты опубликованы в научном журнале National Science Review.
В магме обнаружили скрытый запас кислорода
Кислорода в недрах Земли очень много. Он входит в состав большинства распространённых минералов, образуя соединения с кремнием, магнием, железом и другими элементами. Но такой кислород химически связан и не может просто выйти наружу, словно газ из открытой бутылки.
До сих пор считалось, что содержание кислорода в магме в основном определяется химическим составом расплавленных пород. Учёные решили проверить, способен ли расплав удерживать дополнительные атомы кислорода сверх этого количества.
Для эксперимента они приготовили синтетический базальтовый расплав и нагрели его до температуры 1200–1800 градусов Цельсия. Одновременно образцы сжимали под давлением до семи гигапаскалей — примерно в 69 тысяч раз выше атмосферного.
Чтобы определить максимальную способность магмы поглощать кислород, исследователи создали особенно богатую им среду с помощью оксида платины.
Результат оказался неожиданным. При обычном давлении расплав практически не удерживал дополнительного кислорода. Но при максимальном давлении его содержание превысило 5% массы образца.
Причём кислород не находился внутри в виде крошечных газовых пузырьков. Анализ показал, что он встраивался непосредственно в структуру расплава. Компьютерное моделирование подтвердило возможность такого механизма.
Получается, магма способна работать как своеобразный переносчик кислорода из глубин планеты.
Как вулканы могли выпускать кислород наружу
Дальше вступает в действие простая физическая закономерность: чем выше давление, тем больше дополнительного кислорода может удерживать расплав.
Глубоко в мантии магма находится под огромным давлением. Но по мере её подъёма к поверхности давление уменьшается, а вместе с ним падает и способность удерживать избыток кислорода.
В результате кислород может высвобождаться из расплава, участвовать в химических реакциях с окружающими породами и потенциально поступать в атмосферу.
Исследователи обратили внимание на геологическую историю Земли. Примерно 2–2,5 миллиарда лет назад, когда происходили крупные изменения состава атмосферы, на планете существовали обширные области вулканической активности. Колоссальные объёмы магмы поднимались из недр и изливались на поверхность.
Авторы решили оценить, сколько кислорода теоретически могли перенести такие извержения.
Расчёт показал, что если бы магма того периода высвободила кислород в количестве всего 0,27% собственной массы, его суммарное количество могло бы сравниться со всем запасом кислорода в современной атмосфере Земли.
Расчёт показывает, насколько значительным мог оказаться даже небольшой дополнительный поток газа при огромных масштабах древнего вулканизма.
Меняет ли открытие историю возникновения жизни?
Пока исследователи доказали способность магмы удерживать дополнительный кислород в лабораторных условиях. Рекордные значения получены в специально созданной окислительной среде, а не в обычной земной магме.
В контрольных экспериментах без дополнительного источника кислорода его избыток составлял лишь 0,2–0,5% массы образцов. Поэтому ещё предстоит выяснить, насколько распространён подобный процесс в настоящих недрах Земли и сколько кислорода действительно способно достигать атмосферы.
Открытие не отменяет роль фотосинтеза. Именно живые организмы считаются главным источником свободного кислорода, благодаря которому впоследствии смогла развиться сложная жизнь.
Однако теперь у геологов появился механизм, позволяющий объяснить, как процессы в глубинах планеты могли влиять на накопление кислорода у её поверхности.
Это важно и для изучения других миров. Ранее RidLife рассказывал, почему наличие кислорода в атмосфере далёкой планеты ещё не доказывает существование на ней жизни. Новый результат добавляет ещё один возможный геологический фактор, который придётся учитывать при поиске обитаемых планет.
