Первичная атмосфера сформировалась в ходе дегазации недр
молодой Земли при вулканических извержениях и носила восстановительный
характер. В ее состав входили водяные пары, углекислота, метан, аммиак,
сероводород, так называемые «кислые дымы» (соединения HF, HCl и другие, образующие при растворении в воде галогеновые
кислоты). Кислород стал поступать сначала в океан, а затем и в земную атмосферу
в результате деятельности ранних организмов — оксигенных фотосинтетиков,
первыми из которых считаются цианобактерии.

Исследования осадочных пород, содержащих следы древней жизни
в форме сдвига соотношения изотопов углерода ¹³C и ¹²C, которые по-разному фиксируются
фотосинтетиками, и в виде строматолитов (ископаемых остатков цианобактериальных
сообществ), показывают, что организмы, продуцирующие кислород, появились на
Земле, по-видимому, очень рано. Первые достоверные признаки их существования
обнаружены в формации Дрессер в пределах кратона Пилбара (Западная Австралия).
Их возраст оценивается в 3,48 миллиарда лет. Известны и более древние находки в
формациях Исуа (Гренландия) возрастом приблизительно 3,7 миллиарда лет,
Нуввуагиттук в Квебеке (Канада), датируемые временем между 4,3 и 3,7 миллиарда
лет, а также на севере Лабрадора (Канада) возрастом около 3,95 миллиарда лет, но их
интерпретация пока носит предположительный характер.

Серьезного влияния на состояние земной атмосферы самые
первые кислородные фотосинтетики не оказывали. Устойчиво-окислительной
атмосфера стала, по-видимому, в начале протерозоя, в течение промежутка времени
от 2,45 до 2 миллиардов лет назад, когда концентрация кислорода установилась на
уровне точки Пастера (около одного процента от современного содержания). При
такой концентрации факультативные анаэробы — организмы, способные жить как в
бескислородной, так и в кислородной среде — переходят от ферментации (брожения)
к энергетически более выгодному дыханию. Этот этап в эволюции атмосферы получил
название «Великого кислородного события». Однако в настоящее время ученым ясно,
что в действительности это был длительный процесс, в ходе которого содержание
кислорода отличалось непостоянством, и его сдвиг к точке Пастера далеко не
сразу приобрел глобальный характер.

Ведущая роль в этом процессе принадлежала, очевидно, геологическим
явлениям, и в первую очередь вариациям интенсивности вулканической активности.
Биологические всплески и связанные с ними события оксигенации (выбросы
кислорода) проявлялись как отклик на изменения геохимии, вызванные
деятельностью вулканов и последующей судьбой вулканических продуктов в океане и
на суше.

Исследователи из Великобритании и США во главе с Яной
Мейкснеровой (Jana
Meixnerová) из Вашингтоского университета в Сиэтле проанализировали, как
в геохимическом составе отражаются изменения в режиме вулканизма и эрозии
вулканогенных пород. Для этого они изучили колебания соотношения стабильных
изотопов ртути в пиритсодержащих черных сланцах возрастом около 2,5 миллиарда
лет из формации Маунт-Макрей с южной окраины западно-австралийского кратона
Пилбара. Исследованию подверглись 44 образца, отобранных в сланцевом массиве на
глубинах стратиграфического разреза от 125 до 190 метров. Затем ученые
соотнесли полученные результаты с данными о росте оксигенации 2,45 миллиарда
лет назад, известными по показателям содержания общего органического углерода (TOC), серы, фосфора,
алюминия, железа и молибдена.

Атомарная ртуть поступает в океан и в атмосферу при
вулканических извержениях. В воде она нерастворима, но в атмосфере под
действием солнечного ультрафиолета атомы ртути ионизуются и приобретают высокую
реакционную способность. Попадая в составе осадков на поверхность, они
адсорбируются органическими молекулами или сульфидными минералами и попадают в
осадочные отложения. В архейском эоне, практически при отсутствии озонового
слоя, время существования газообразной ртути в атмосфере было, по-видимому,
весьма кратким.

Стабильные изотопы ртути в природе могут
подвергаться как масс-зависимому (MDF, mass-dependent
fractionation), так и масс-независимому (MIF, mass-independent fractionation) фракционированию. Характер
последнего определяется четностью или нечетностью массового числа изотопа. В то
время как MDF-процесс
ассоциирован с большинством абиотических и биотических вариантов ртутного
геохимического цикла, масс-независимое фракционирование требует различных
условий. MIF четных
изотопов ртути (Δ ²⁰⁰Hg и Δ ²⁰⁴Hg)
протекает при фотохимических превращениях в тропопаузе или стратосфере, а
нечетных (Δ ¹⁹⁹Hg и Δ ²⁰¹Hg) — в нижней атмосфере и в
поверхностных водах. Поэтому с его помощью можно различить древние проявления
подводного и субаэрального вулканизма, а также узнать, задерживался ли ультрафиолет
озоновым слоем, то есть получить представление о кислородной обстановке.

Ученые обнаружили два пика содержания ртути в образцах,
отобранных на глубинах 173,5 и 137,31 метра. Продолжительность временного
интервала между образованием осадочных слоев, содержащих эти максимумы,
составляет около 4,9 миллиона лет. Для нижнего, более древнего слоя характерны
положительные изотопные метки Δ ¹⁹⁹Hg и Δ ²⁰¹Hg,
соответствующие накоплению вулканогенной ртути, которая подвергается
воздействию УФ-лучей вблизи земной поверхности. Эта часть массива обеднена
редокс-индикаторами (микроэлементами, чувствительными к изменению
окислительно-восстановительного потенциала), такими как молибден. Кроме того,
она демонстрирует низкое содержание фосфора и общего органического углерода.
Очевидно, значительной оксигенации в это время не происходило, а вулканическая активность
была высокой.

В верхнем слое Мейкснерова с коллегами отметили
отрицательные значения соотношений фракционирования для нечетных изотопов ¹⁹⁹Hg и ²⁰¹Hg, а сигнатура Δ ²⁰⁰Hg отличалась
небольшой положительной аномалией. При этом в осадочной породе повышено
содержание молибдена, серы, фосфора и углерода органического происхождения.
Исследователи предположили, что в этот более поздний период произошел всплеск
биологической продуктивности, сопровождавшийся ростом концентрации кислорода, а
основным источником ртути в осадках в это время было окислительное
выветривание.

Эрозия должна была затронуть недавно сформировавшиеся
вулканогенные базальтовые массивы, из которых в океан попадали питательные
вещества, в первую очередь фосфор. Они стимулировали активность
фотосинтезирующих организмов. Вулканическая деятельность в Маунт-Макрей в эту
эпоху, по-видимому, прекратилась. Временной промежуток в 4,9 миллиона лет между
событиями, отмеченными повышенной сигнатурой ртути, согласуется со средним
сроком существования крупных вулканических провинций — от одного до пяти
миллионов лет.

Изотопный анализ дает возможность представить, как в архее инициировались
всплески биологической активности, приводившие к образованию «кислородных
карманов» в атмосфере Земли. Вулканы нарабатывали твердый материал, содержащий
необходимые для жизни микроэлементы. В последующие, более спокойные эпохи он
вымывался в океан, где служил источником продуктивности древней биосферы.
Авторы исследования считают, что этот механизм сыграл ведущую роль не только в
периоды локальных повышений концентрации кислорода, но и в становлении устойчиво-окислительных
условий в глобальном масштабе в начале протерозоя.

Ранее ученые рассказали о том, что изотопный анализ ксенона
в породах возрастом три миллиарда лет может помочь в определении состава
архейской атмосферы, установили, что в раннем архее поверхность Земли была
покрыта глобальным океаном, и выяснили, что каждый из классов цианобактерий
самостоятельно изобрел кислородное дыхание.

Винера Андреева