Вміст кисню на Землі різко змінювався з часом: як ця інформація може допомогти нам виявити позаземне життя

Автори: Алекс Краузе, науковий працівник з моделювання системи Землі Університетського коледжу Лондона; Бенджамін Мілз, доцент катедри біогеохімічного моделювання Лідського університету.

Чи самотні ми у Всесвіті? Люди задавались цим питанням протягом багатьох століть, надихаючись на незліченні дослідження і художні твори. Але чи близькі ми до розкриття цієї таємниці? Наразі, коли космічний телескоп імені Джеймса Веба (КТДВ) працює, ми можемо зробити великий крок, щоб одного дня відповісти на це запитання.

Однією з чотирьох основних місій КТДВ є дослідження екзопланет, тобто планет, які знаходяться за межами нашої Сонячної системи, та встановлення газів у складі їх атмосфери. Тепер наше нове дослідження щодо зміни рівня кисню на Землі протягом геологічного часу дало підказки щодо цілей, які насправді потрібно шукати.

Намагаючись зрозуміти як, коли і чому життя могло еволюціонувати на інших планетах, слід пригадати єдину допоки відому нам планету, на якій є життя — Землю. Розуміння складної еволюційної історії нашої планети може дати підказку до пошуку нових життєпридатних планет.

Життя та кисень

Всі ми знаємо, що для підтримки життєздатности тваринам необхідний кисень, але деяким, наприклад, губкам, він потрібен у набагато менших об’ємах. Однак, хоч кисень наразі й легкодоступний, складаючи 21% від загального об’єму атмосфери, ми усвідомлюємо, що це було не так протягом більшої частини історії Землі.

Якщо б ми повернулись у давнє минуле, приблизно на 450 мільйонів років назад, нам потрібно б було мати на похваті достатню кількість кисневих балонів. Але в чому ми менш впевнені, так це в загальній кількості кисню в атмосфері та океанах з плином часу і чи сприяло підвищення його рівня еволюції тварин, чи навпаки. Ці питання викликали численні суперечки та ставали об’єктом дослідження протягом десятиліть.

Нині панує думка, що рівень кисню підвищився за три основні етапи. Перший, названий «кисневою катастрофою», відбувся близько 2,4 мільярдів років тому, перетворивши Землю з небесного тіла, практично позбавленого кисню в атмосфері і океанах, на планету, де кисень є її постійною складовою. Третій етап, «палеозойська киснева катастрофа», відбувся близько 420 мільйонів років тому, в результаті якого вміст кисню в атмосфері зріс до сучасного рівня.

Але в проміжку між ними, близько 800 мільйонів років тому, був другий крок: «період неопротерозойської кисневої катастрофи» або НКК. Спочатку інформація, отримана з осадових порід, що утворилися на дні океану, дозволяє припустити, що саме в цей час кисень піднявся до рівня, близького до сучасного.

Однак нові дані, зібрані з тих пір, свідчать про цікавішу історію кисню. Важливо, що НКК сталася якраз перед тим, як з’явилися свідчення про найперших тварин, а це близько 600 мільйонів років тому.

Моделювання рівнів кисню

Ми поставили собі за мету дослідити та реконструювати рівень кисню в атмосфері під час НКК, щоб побачити, в яких умовах з’явилися перші тварини. Для цього ми побудували комп’ютерну модель Землі, що включає в себе інформацію про різні процеси, які можуть збагачувати атмосферу киснем або видаляти його з неї.

Ми досліджували вуглецеві породи, що відкладалися по всьому світу, щоб розрахувати швидкість фотосинтезу в давньому минулому. Фотосинтез — це процес, за допомогою якого рослини та мікроби використовують сонячне світло, воду та вуглекислий газ для створення кисню та енергії у формі цукру — основного джерела кисню на Землі.

Вуглець у природі існує у багатьох ізотопах — атомах з різною кількістю нейтронів у ядрі (ядро складається з протонів і нейтронів). Тому різні ізотопи мають розміри та масу, дещо відмінні один від одного.

Ми розглянули ізотопи вуглецю, відомі як вуглець-12 і вуглець-13, які не піддаються радіоактивному розпаду. Під час фотосинтезу рослини надають перевагу найлегшому ізотопу - вуглецю-12, залишаючи морську воду, а згодом і породи, які утворюються на дні океану, збагаченими вуглецем-13.

Коли ми аналізуємо ці породи мільйони або навіть мільярди років потому, якщо ми знаходимо більше вуглецю-13, ніж вуглецю-12, ми можемо передбачити, що відбулося більше фотосинтезу і, отже, більше утворення кисню. Потім ми змоделювали вулканічну активність, яка може вивільняти гази, які реагують з киснем, видаляючи його з атмосфери.

Такий підхід може здатися трохи дивним, і ви можете запитати, чому не було нічого більш безпосереднього для вимірювання. Це пояснюється тим, що більшість геологічних доказів того часу не збереглися, а ці співвідношення ізотопів вуглецю є одними з небагатьох чітко визначених наборів даних, які ми маємо за цей період часу.

Ми виявили, що замість простого стрибка рівня кисню протягом неопротерозойської ери, його кількість в атмосфері суттєво та дуже швидко змінилася і в геохронологічній шкалі. У той час як 750 мільйонів років тому кисень становив 12% атмосфери, лише за кілька десятків мільйонів років він знизився приблизно до 0,3% — крихітної частки — перш ніж знову піднятися кілька мільйонів років потому.

Наше дослідження показує, що рівень кисню в атмосфері, ймовірно, продовжував коливатись між високими та низькими показниками, допоки рослини не закріпилися на суші приблизно 450 мільйонів років тому.

У пошуках позаземного життя

Ці результати інтригують з кількох причин. Ми часто думали, що відносна стабільність, яку Земля переживала протягом більшої частини останніх 4,5 мільярдів років, необхідна для розквіту життя. Зрештою, коли відбувалися значущі події, такі як зіткнення з астероїдами, це не йшло на користь деяким мешканцям Землі (вибачте, динозаври).

Але, якщо перші тварини і справді еволюціонували на тлі значної варіативності рівня кисню, це свідчить про те, що деякі динамічні зміни можуть знадобитися, щоб сприяти екологічним інноваціям.

Наші результати показують, що періоди низького рівня кисню в атмосфері могли бути важливими для розвитку складного життя, спричинивши вимирання деяких простих організмів і дозволивши тим, хто вижив, поширюватися та урізноманітнюватися, коли рівень кисню знову підвищився. Тож ми не повинні нехтувати вивченням екзопланет, які мають низький рівень кисню в атмосфері.

Звичайно, це дуже земле- і навіть твариноцентричний погляд. Інопланетне життя може повністю відрізнятися від життя на Землі. Наприклад, воно цілком може існувати на планетарних тілах, таких як Титан, один із супутників Сатурна, який має моря рідкого метану та етану. Але розуміння історії атмосферного кисню на Землі може стати корисною відправною точкою у нашому дослідженні позаземного життя.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Earth’s oxygen has varied dramatically over time — here’s how our data could help us spot alien life» в журналі The Conversation 14 жовтня 2022 р.

Переклали Ірина Бачуріна, Яна Руча та Ірина Тесленко