Планета Земля обладает поистине впечатляющими качествами. (Отрицательные отзывы, надо сказать, в основном касаются персонала и клиентуры.) Высоко в списке преимуществ — богатая кислородом атмосфера, но это не случилось в одночасье — потребовалось пару миллиардов лет эволюции, чтобы создать мир, пригодный для животной жизни, подобной нашей.
У ученых есть множество идей о том, что могло вызвать увеличение кислорода, и, похоже, несколько из них, вероятно, верны. Жизнь — часть истории: фотосинтезирующая жизнь вырабатывает кислород. Химия твердой Земли также сыграла свою роль, как поддерживая фотосинтезирующую жизнь, так и через реакции, которые перемещают кислород между атмосферой и горными породами глубоко внутри планеты.
Новое исследование под руководством Вэй Ши из Чэндуского университета технологий предполагает, что свидетельства изменений в субдукции — процессе, при котором тектонические плиты исчезают в недрах Земли, — совпадают по времени с кислородными скачками. Земля постепенно остывала, и скудные остатки ее ранней истории показывают, что основные геологические процессы в результате значительно эволюционировали. Вначале холодные, плотные поверхностные породы опускались бы сквозь горячую мантийную породу, мало напоминая современную тектонику плит. Континенты вокруг нас — это строительные проекты длиной в 4,5 миллиарда лет, так что требуется воображение, чтобы представить, что было в начале.
Это не была плавная, линейная эволюция — в геологической истории, похоже, есть переходные точки. Оксигенация земной атмосферы тоже не была линейной. Она началась со скачка во время Великого кислородного события около 2,4–2,0 миллиарда лет назад, затем застопорилась до возобновления между 800 и 500 миллионами лет назад. Третье увеличение между 450 и 250 миллионами лет назад довело нас до современных уровней кислорода.
Идея исследовательской группы заключалась в том, что изменения в субдукции могли повлиять на атмосферный кислород, контролируя, сколько углерода и серы — оба любят связываться с кислородом — уносилось в глубокие недра. Когда мантия горячее, углерод и сера не проникают далеко вниз с субдуцированной породой; они высвобождаются в верхнюю мантию и могут вскоре вернуться через вулканы, готовые поглощать любые смелые молекулы кислорода. Обратное: плита, погружающаяся в более холодную мантию, будет удерживать больше своей серы и углерода.
На участках, где субдуцированная порода находит путь обратно на поверхность, минералы и тонкая химия внутри них рассказывают нам о температурах и давлениях, которые они испытали. Сравнивая эти данные, команда составила широкую картину истории субдукции. Если гипотеза верна, можно ожидать субдукцию при более низких температурах в то же время, что и увеличение атмосферного кислорода.
Данные, похоже, совпадают. Субдукция при более низких температурах проявляется между 2,2 и 1,8 миллиарда лет назад, а затем, после перерыва, доминирует в последние 800 миллионов лет. Более ранний период совпадает с начальным Великим кислородным событием; более поздний период охватывает второй и третий кислородные скачки. (Время между ними известно в геологии как «Скучный миллиард», потому что… кажется, ничего особенного не происходило.) Пропустив эту историю через базовую химическую модель, исследователи обнаружили, что могут примерно воспроизвести временную шкалу оксигенации.
Начало истории, говорят они, могло быть связано с формированием раннего суперконтинента под названием Колумбия. С сушей над уровнем моря эрозия могла доставлять достаточно питательных веществ в океаны, чтобы поддерживать большое количество фотосинтезирующих цианобактерий — видимых в донных осадочных породах, богатых органическим углеродом. Распад Колумбии совпадает с первыми признаками субдукции при более низких температурах, что позволило бы большему количеству органического углерода и карбонатов быть субдуцированными глубоко в мантию.
Затем наступил Скучный миллиард, когда даже мантийная конвекция и движение тектонических плит, кажется, были вялыми. Но после этого формирование и распад Гондваны и Пангеи привели нас к карте тектонических плит, которую мы знаем сегодня.