Хотя исследование сосредоточено на ранней истории Земли, оно также имеет значение для внеземной жизни и даже изменения климата. Исследование, проведенное Вашингтонским университетом, Мичиганским университетом и другими учреждениями, было опубликовано в августе в Proceedings of the National Academy of Sciences.«Что стало очевидным в последние несколько десятилетий, так это то, что на самом деле существует множество связей между твердой неживой Землей и эволюцией жизни», — сказала первый автор Яна Мейкснерова, докторант UW в области наук о Земле и космосе. «Но каковы конкретные связи, которые способствовали эволюции жизни на Земле, какой мы ее знаем?»
В первые дни на Земле не было кислорода в атмосфере и было мало форм жизни, дышащих кислородом. Атмосфера Земли стала постоянно насыщенной кислородом около 2,4 миллиарда лет назад, вероятно, после взрыва форм жизни, которые фотосинтезируют, превращая углекислый газ и воду в кислород.Но в 2007 году соавтор Ариэля Анбара из Университета штата Аризона проанализировал горные породы из сланца Маунт Макрей в Западной Австралии, сообщив о кратковременном запахе кислорода примерно за 50–100 миллионов лет, прежде чем он стал постоянным элементом атмосферы.
Более поздние исследования подтвердили другие, более ранние краткосрочные всплески кислорода, но не объяснили их рост и падение.В новом исследовании исследователи из Мичиганского университета во главе с соавтором-корреспондентом Джоэлем Блюмом проанализировали те же древние породы на предмет концентрации и количества нейтронов в элементе ртути, испускаемом извержениями вулканов.
Крупные извержения вулканов выбрасывают ртутный газ в верхние слои атмосферы, где сегодня он циркулирует в течение года или двух, прежде чем выпасть на поверхность Земли. Новый анализ показывает всплеск ртути за несколько миллионов лет до временного повышения содержания кислорода.«Конечно же, в породе ниже кратковременного всплеска кислорода мы обнаружили свидетельства наличия ртути, как в ее количестве, так и в изотопах, что наиболее разумно было бы объяснить извержениями вулканов в атмосферу», — сказал соавтор Роджер Бьюик, профессор Университета штата Вашингтон. наук о Земле и космосе.
Авторы считают, что там, где были вулканические выбросы, должны были быть поля лавы и вулканического пепла. И эти богатые питательными веществами породы выветрились бы под воздействием ветра и дождя, выпуская фосфор в реки, которые могли бы удобрять близлежащие прибрежные районы, позволяя процветать производящим кислород цианобактериям и другим одноклеточным формам жизни.«Есть и другие питательные вещества, которые модулируют биологическую активность в краткосрочной перспективе, но фосфор является наиболее важным в долгосрочной перспективе», — сказала Мейкснерова.
Сегодня фосфор богат биологическим материалом и сельскохозяйственными удобрениями. Но в очень древние времена выветривание вулканических пород было основным источником этого дефицитного ресурса.
«Во время выветривания в атмосфере архея свежая базальтовая порода медленно растворялась, высвобождая в реки необходимый макроэлемент фосфор. Это подпитывало микробы, которые жили в мелководных прибрежных зонах, и спровоцировало повышение биологической продуктивности, которая могла бы создать "как побочный продукт, выброс кислорода", — сказала Мейкснерова.
По словам Бьюика, точное местоположение этих вулканов и лавовых полей неизвестно, но большие лавовые поля примерно подходящего возраста существуют в современной Индии, Канаде и других местах.«Наше исследование предполагает, что для этих кратковременных запахов кислорода непосредственным спусковым механизмом было увеличение производства кислорода, а не снижение потребления кислорода горными породами или другими неживыми процессами», — сказал Бьюик. «Это важно, потому что присутствие кислорода в атмосфере имеет фундаментальное значение — это самая большая движущая сила эволюции большой и сложной жизни».В конечном итоге исследователи говорят, что исследование показывает, как геология планеты может повлиять на любую жизнь, развивающуюся на ее поверхности, понимание, которое помогает идентифицировать обитаемые экзопланеты или планеты за пределами нашей солнечной системы в поисках жизни во Вселенной.Другими авторами статьи являются соавтор-корреспондент Ева Стуэкен, бывшая аспирантка астробиологии Университета Сент-Эндрюс в Шотландии; Майкл Кипп, бывший аспирант Калифорнийского технологического института; и Маркус Джонсон из Мичиганского университета.
Исследование финансировалось НАСА, финансируемой НАСА командой Виртуальной планетарной лаборатории UW и профессором Макартура Блюма из Мичиганского университета.