Вы уже слышали эту историю: если бы не было наших фотосинтезирующих друзей цианобактерий, вы не смогли бы прочитать это вслух, потому что не было бы кислорода... Да что там! Вы не смогли бы дышать, и вас не было бы вовсе! Короче, фотосинтез изменил атмосферу Земли и проложил путь многоклеточным организмам.

Доказательства перехода к атмосфере, насыщенной кислородом, можно найти в красивой породе под названием железистый кварцит. Этот тип породы с высоким содержанием оксида железа (кстати, отличная руда) появляется в геологической летописи в больших количествах около 2,4 млрд лет назад. Именно тогда и началась «Кислородная катастрофа», когда уровень кислорода стремительно взмыл ввысь.

Но мы упростили историю. На тот момент микробная жизнь существовала уже более миллиарда лет, и есть все основания считать, что фотосинтез возник довольно рано. Найдено даже несколько железистых кварцитов, которые настолько стары, что, скорее всего, образовались до «кислородной катастрофы». В общем, древнейшая история кислорода — сколько его было, как изменялось его атмосферное содержание в ту и другую сторону — остаётся не очень понятной. В борьбе с пробелами исследователи обратились к южноафриканским породам, которым почти три миллиарда лет.

В использованном методе нет ничего нового. Когда кислород вступает в реакцию с некоторыми элементами, в породе остаётся своеобразный химический след. Например, в минералах хром встречается в основном в состоянии +3 (до нейтрального заряда не хватает трёх электронов). В таком виде он с трудом растворяется в воде. Но после реакции с кислородом (и марганцем) хром теряет три электрона и входит в состояние +6, благодаря чему ведёт себя в воде уже по-другому.

Очевидно, эта трансформация обратима, то есть другие реакции могут вернуть хром обратно в состояние +3. Поэтому надо смотреть на изотопы. Реакция окисления предпочитает хром-53 чуть более «худому» хрому-52. Поэтому среди атомов хрома со степенью окисления +6 чуть больше Cr⁵³, чем среди Cr(+3).

Группа исследователей во главе с Шоном Кроу из Университета Южной Дании воспользовалась этим обстоятельством для анализа пары образцов возрастом 2,92–2,96 млрд лет. В одном из них сохранились частички почвы, образовавшейся при распаде открытых вулканических пород. Другой представляет собой осадок, отложенный в мелком море недалеко от берега.

Если в атмосфере того времени было много кислорода, то выветривание почвы происходило бы следующим образом: окисленный (и, следовательно, мобильный) хром вымывался бы из почвы дождями и утекал в грунтовые воды или океан. Морские отложения в таком случае демонстрировали бы обратную картину. Иными словами, наблюдался бы дефицит хрома-53 в почве и его избыток в морском осадке. Именно это исследователи и увидели.

Учёные не преминули обратиться ещё и к урану, который тоже становится подвижным при окислении. Здесь смотреть на изотопы необязательно, достаточно оценить количество. Ожидалось, что урана будет мало в почве и много в морских отложениях. Так оно и вышло.

Исследователи рассчитали, что наблюдаемая картина могла возникнуть в том случае, если в атмосфере на тот момент находилось примерно 0,03% от того уровня кислорода, что мы имеем сегодня. Это не очень много, но гораздо больше того кислорода, который могли породить химические реакции в атмосфере, где свет расщепляет молекулы воды и углекислого газа. Следовательно, кислород был создан фотосинтезирующими цианобактериями, то есть фотосинтезу не менее 3 млрд лет.

Есть и более древние породы, указывающие на наличие кислорода, но это самые старые, в которых следы окислительного выветривания обнаружены путём изучения изотопов хрома. Приключения кислорода в период, предшествовавший упомянутой «катастрофе», становятся более понятными.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Ars Technica.