Кислород. Молекула, изменившая мир

Важнейшее различие между современными условиями и ситуацией сразу после окончания глобального оледенения состоит в скорости эрозии гор, которая сейчас гораздо ниже, чем была тогда. В норме медленная эрозия уравновешивается медленным захоронением органических веществ: захоронение органического вещества на дне океана под слоем свежих отложений, накопившихся в результате эрозии, происходит медленнее. Поэтому у бактерий остается время расщепить органические вещества, образованные, например, в результате активного роста водорослей, и при этом использовать кислород. Так поддерживается status quо. Напротив, высокая скорость эрозии после окончания оледенения способствовала быстрому осаждению и захоронению органических веществ. Какая-то часть органического вещества при этом неизбежно смешивалась с осадочными породами. Таким образом, после окончания оледенения высокая скорость эрозии должна была приводить к высокой скорости захоронения органики и способствовать сохранению кислорода.

Звучит логично, но можно ли как-то доказать, что скорость эрозии после оледенения была больше обычного? И действительно ли оледенение привело к повышению содержания кислорода в воздухе? Давайте немного поразмышляем. Где искать ответ на эти вопросы? Как узнать, какой была скорость эрозии 590 млн лет назад? Как доказать, что содержание свободного кислорода в атмосфере в этот период выросло? В этом и заключается наука, и меня никогда не переставало удивлять, какие интересные выводы можно получить, если подкреплять четкие рассуждения точными измерениями. Мы действительно можем доказать, что скорость эрозии выросла после окончания оледенения и что этот процесс сопровождался накоплением кислорода в воздухе. Каждый отдельный фрагмент доказательства, возможно, не развеет все сомнения полностью, но в целом, мне кажется, все собранные воедино факты достаточно убедительно показывают, что сразу после окончания ледникового периода наблюдалось повышение концентрации кислорода в атмосфере. Это повышение концентрации кислорода совпадает по времени с эволюцией первых крупных животных — вендобионтов. Вот сжатое изложение имеющихся доказательств, на основании которых вы можете составить свое личное мнение (или восхищаться изобретательностью чужого разума).

Мы начнем с анализа изотопных подписей другого типа. Скорость эрозии в отдаленном прошлом можно определить по соотношению изотопов стронция в морских отложениях карбонатов. Два стабильных изотопа стронция — ⁸⁶Sr и ⁸⁷Sr — по-разному представлены в земной коре и в мантии. В мантии выше относительное содержание ⁸⁶Sr, тогда как в коре больше ⁸⁷Sr. Основной источник ⁸⁶Sr в океанах — базальт вулканического происхождения. Базальт постоянно попадает из мантии в океаны через срединно-океанические хребты, откуда медленно распространяется по океанскому дну, а затем вновь погружается в мантию. В морской воде стронций растворяется очень слабо с более или менее постоянной скоростью. Появление растворенного стронция в океане уравновешивается его включением в морские отложения карбонатов, такие как известняк (карбонат кальция). Дело в том, что стронций может вытеснять родственный ему кальций из кристаллической решетки известняка. Поскольку все эти процессы происходят с постоянной скоростью, казалось бы, относительное содержание изотопа ⁸⁶Sr в известняке не должно сильно изменяться. Однако это не так? и виноват изотоп ⁸⁷Sr.

Количество ⁸⁷Sr в океане зависит от скорости эрозии земной коры на континентах. Оледенения и образование гор усиливают эрозию и способствуют попаданию стронция в реки, а затем и в океаны. Как и ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr тоже включается в известняк. Соотношение ⁸⁶Sr и ⁸⁷Sr в известняке зависит от их относительного содержания в морской воде. В периоды сильной континентальной эрозии больше ⁸⁷Sr попадает в океаны и включается в морские отложения. Таким образом, соотношение двух изотопов стронция и известняках позволяет оценить скорость эрозии в период формирования этих отложений. В соответствии с данными Алана Кауфмана из Университета Мэриленда и его коллег Стейна Якобсена и Эндрю Нолла из Гарварда отношение ⁸⁷Sr к ⁸⁶Sr в морских карбонатных отложениях начало расти сразу после окончания ледниковых периодов, что указывает на высокую скорость эрозии. Кроме того, корреляция между соотношением изотопов углерода (захоронено больше ¹²С) и изотопов стронция (больше ⁸⁷Sr в горных породах) указывает на то, что высокой скорости эрозии действительно соответствует высокая скорость захоронения органических веществ. И это приводит к повышению содержания кислорода в воздухе.