Рост содержания кислорода в атмосфере, произошедший примерно между 2,4 и 2,1 миллиарда лет назад, стал фундаментальным шагом на пути к обитаемой Земле, которую мы знаем сегодня. Этот период, известный как Великое окислительное событие (Great Oxidation Event), ознаменовался тем, что ранее восстановительная атмосфера с незначительным содержанием O₂ стала все более насыщаться кислородом, как и мелководные морские среды. Хотя концентрация кислорода сначала достигла лишь нескольких процентов от нынешнего уровня¹, это позволило появиться сложной жизни и оказало глубокое влияние на геохимические циклы. Однако не менее важным, чем само Великое окислительное событие, является период, который ему предшествовал. В этом выпуске, а также в онлайн-спецпроекте из архива Nature Geoscience, мы рассматриваем этапы, приведшие к этому событию.

Семена окисления были посеяны ещё в архее с появлением цианобактерий, способных производить кислород как побочный продукт своего фотосинтеза. Следы их существования обнаружены как минимум за несколько сотен миллионов лет до Великого окислительного события². Изначально весь произведённый кислород связывался в химически восстановительных условиях атмосферы и океана. Лишь с наступлением Великого окислительного события кислорода стало достаточно, чтобы превысить ёмкость этих «ловушек» и сохраняться в атмосфере длительное время.

Всё больше данных свидетельствует о том, что атмосфера и океаны архея находились в состоянии перемен на протяжении сотен миллионов лет до Великого окислительного события³,⁴. Цианобактерии производили кислород, который мог накапливаться локально в определённых условиях. Это дало основание для концепций «кислородных оазисов» и «кислородных всплесков» — локальных мелководных зон, где эпизодически возникали повышения содержания O₂. Однако детали длительности, масштабов и причин этих явлений до сих пор неизвестны. Геохимики ищут ответы с помощью различных индикаторов, чувствительных к присутствию кислорода в разных масштабах времени и пространства.

В статье Ляна и соавторов в этом выпуске используется изучение изотопов азота, способных фиксировать признаки морской оксигенации. Они исследуют железисто-полосчатые формации, чтобы понять изменения в более глубоких морских шельфовых средах. Их результаты показывают, что и в глубинных областях наблюдались колебания уровня кислорода по крайней мере за 200 миллионов лет до Великого окислительного события, с эпизодами повышения O₂ и возвратом к восстановительной атмосфере.

Статья Чена и соавторов также исследует временные и пространственные масштабы этих эпизодов, используя изотопы таллия для отслеживания захоронения оксидов марганца в архейском океане. Они находят свидетельства широкого захоронения уже 2,65 миллиарда лет назад, что говорит о длительной оксигенации морских отложений на большой территории. Эти результаты дополняют картину глобальных колебаний содержания кислорода в атмосфере.

Причины этих изменений сложны, но статья Каньядаса и соавторов рассматривает роль фосфора — ключевого питательного элемента. Исследователи анализируют образцы, свидетельствующие о накоплении кислорода в поверхностных водах примерно за 500 миллионов лет до Великого окислительного события, и предполагают, что периодические выбросы фосфора благодаря анаэробному рециклингу из осадков усиливали фотосинтез, что, в свою очередь, приводило к увеличению производства O₂. Также отмечены исследования о возможной роли вулканизма и континентальных массивов в снабжении фосфором, необходимым для этих процессов⁵.

В совокупности эти работы позволяют предположить, что кислород мог накапливаться относительно рано, на больших глубинах и на большей территории, чем считалось ранее. Период, предшествовавший Великому окислительному событию, был временем перемен, приведших к формированию кислородной атмосферы, характерной для Земли после архея.

В рубрике News and Views Джеймс Кастинг рассматривает гипотезу о том, что некоторые из этих событий могли быть периодами, когда вся атмосфера архея на короткое время становилась окислительной, а затем вновь возвращалась к восстановительному состоянию. Как отмечает Кастинг, у учёных пока нет всех ответов, но геохимики продолжают разрабатывать новые методы для изучения этих первых шагов на пути к насыщенной кислородом атмосфере Земли.