Кристаллы циркона указали: ранняя Земля была «губкой» для кислорода более миллиарда лет

Земля действовала как геологическая губка для кислорода более миллиарда лет до Великой кислородной катастрофы (GOE), произошедшей около 2,3 млрд лет назад, согласно новому исследованию. Геологи давно подозревали, что ограниченные количества газообразного кислорода производились бактериями на Земле ещё до GOE — переломного момента, навсегда превратившего первичную бескислородную атмосферу в жизнеподдерживающую оболочку, какой она является сегодня. Но новое исследование в Nature Geoscience впервые устанавливает, как давно такой кислород начал поглощаться геологическими процессами в мантии Земли.

Мантия ранней Земли содержала определённое количество кислорода, объяснил геолог Уго Морейра из Университета Портсмута в Великобритании. Но первые порции газообразного кислорода от колоний фотосинтезирующих цианобактерий в конечном счёте добавились к кислороду в мантии и могут быть прослежены по включениям в некоторых кристаллах циркона, сказал он.

«Немного кислорода дало огромную разницу».

Изначально количество атмосферного кислорода было очень малым, но «этот небольшой кислород дал огромную разницу», поскольку кислород был настолько редок в остальной среде, сказал Морейра. Эти ранние следы кислорода в атмосфере быстро расходовались в химических реакциях через окислительное выветривание, или реакции с внешними слоями пород на поверхности. Этот процесс, в свою очередь, приводил к большему количеству кислорода в мантии Земли, когда поверхностные породы вовлекались в ранние геологические процессы, подобные современной субдукции, при которой одна тектоническая плита скользит под другой.

«Несоответствие между тем, как мантия эволюционирует сама по себе, и тем, как мантия эволюционирует с добавлением [атмосферного] кислорода, разрешимо» через изучение включений в некоторых кристаллах циркона, сказал Морейра.

Изучение саникутоидов

«Цирконы действительно захватывают учёных, поскольку по сути это капсулы времени».

Морейра — первый автор нового исследования, в котором изучались кристаллы циркона из крупнозернистых магматических пород, называемых саникутоидами, встречающихся в кратонах — геологических областях вблизи центров многих современных континентов, которые геологи считают их древними ядрами. Саникутоиды служат геохимическим окном в формирование кратонов и часто содержат кристаллы циркона с захваченными включениями апатита — минерала на основе фосфора. Эти включения апатита могут также содержать следы серы, а степень окисления серы указывает на количество кислорода в мантии в момент образования апатитов. Цирконы также содержат уран, который радиоактивно распадается с известной скоростью, что позволяет определить, когда именно образовались кристаллы циркона, часто с точностью до миллиона лет или около того. «Эти минералы действительно захватывают учёных, поскольку по сути это капсулы времени», — сказал Морейра.

В результате новое исследование устанавливает как дату саникутоида, так и его степень окисления на момент формирования. Оно рассматривает субдуговые области мантии — места в верхней мантии, которые когда-то находились под действующими вулканами, — поскольку исследователи предполагают, что они были бы наиболее затронуты поверхностным окислением. Но более широкие выводы исследования касаются всей мантии, вплоть до ядра Земли, поскольку геологи считают, что породы, образованные в субдуговых областях, циркулируют в геологическом времени в гораздо более глубокие области.

Великая кислородная катастрофа

Миллиарды лет назад большинство микробов были анаэробными, производя энергию через потребление железа и других минералов в мелководьях и вокруг гидротермальных источников.

Эволюция фотосинтеза у цианобактерий стала крупным достижением. Она освободила жизнь от зависимости от анаэробных процессов для получения энергии и позволила цианобактериям расти во всё более крупных колониях везде, где присутствовали вода и солнечный свет. В конце концов — примерно 2,3 млрд лет назад, согласно новому исследованию, — кислород, выделяемый цианобактериями как побочный продукт, накопился в атмосфере и вызвал GOE. Одним из его первых последствий стало массовое вымирание анаэробных микробов, которые не переносили кислород. Но новая богатая кислородом атмосфера привела к сложной, дышащей кислородом жизни.

Новое исследование Морейры и его коллег устанавливает, что мантия Земли уже реагировала на следы кислорода в атмосфере от цианобактерий ещё 3,4 млрд лет назад — более чем за миллиард лет до GOE. Исследователи отметили значительное увеличение активности кислорода в мантии между 3,4 и 3 млрд лет назад, что указывает на то, что этот процесс начался к тому времени — гораздо раньше, чем считало большинство учёных.

Геолог Ричард Палин из Оксфордского университета, не участвовавший в исследовании, назвал работу «остроумным подходом» к вопросу датировки первых следов атмосферного кислорода от цианобактерий. Палин изучает породы архейской эры Земли возрастом от 4 до 2,5 млрд лет, образовавшиеся до GOE, в период, охватываемый исследованием.

Он сказал Eos, что его главное сомнение — относительно небольшая выборка саникутоидных пород, использованных в исследовании: всего 14 образцов пород со всего мира, давших в общей сложности 72 кристалла циркона и 39 включений апатита. «Набор данных довольно скудный», — сказал он, признавая при этом, что найти лучшие доказательства будет трудно: «Саникутоиды редки… Если бы их было больше, можно было бы провести более всестороннее исследование».

Источник: Metcalfe, T. (2026), Crystals indicate early Earth was a “sponge” for oxygen, Eos, 107, https://doi.org/10.1029/2026EO260367 (CC BY-NC-ND 3.0).