В последние несколько лет произошел взрыв открытий экзопланет. Некоторые из этих миров находятся в том, что мы называем «обитаемой зоной», по крайней мере, в предварительных наблюдениях. Но сколько из них будет иметь жизненно важные, богатые кислородом атмосферы в том же духе, что и Земля?
Новое исследование предполагает, что воздухопроницаемая атмосфера может быть не такой редкой, как мы думали на планетах, таких же старых, как Земля.
Земле потребовалось много времени, чтобы создать насыщенную кислородом атмосферу, которой мы наслаждаемся сейчас. Еще около 2,4 миллиарда лет назад на нашей планете было гораздо меньше кислорода в атмосфере и океанах. Все изменилось, когда произошло серьезное оксигенационное событие; первый из трех, которые сформировали Землю.
Трехступенчатая модель оксигенации Земли довольно широко понята и принята, хотя и не без противоречий. Модель очерчивает три основных изменения в истории Земли, каждое из которых существенно меняет атмосферу Земли, добавляя больше кислорода.
Три события были:
- Великое событие окисления произошло около 2,4 миллиарда лет назад во время палеопротерозойской эры. В этом случае биологически произведенный кислород накапливался в океанах и атмосфере, вероятно, приводя к начальному массовому вымиранию.
- Событие оксигенации неопротерозоя показало резкое повышение уровня кислорода и предшествовало Кембрийскому взрыву около 540 миллионов лет назад.
- Событие оксигенации в палеозое произошло около 400 миллионов лет назад, и кислород достиг своего нынешнего уровня около 21%.
История оксигенации Земли сложна. Это не было линейным прогрессом. Сначала кислород вырабатывался в качестве побочного продукта жизненных форм, и большая часть его поглощалась земной корой. Кислород обладает высокой реакционной способностью, он образовывал всевозможные соединения с другими элементами и запирался в коре. В частности, он реагировал с железом с образованием оксида железа в геологических записях, что является одним из лучших показателей того, когда кислород попадает в атмосферу.
Есть много споров вокруг этой модели, хотя. Согласно одному из представлений о модели, фотосинтетические бактерии в океане производили большую часть раннего кислорода. Затем сотни миллионов лет спустя появились наземные планеты, снова подняв уровень кислорода. Есть также свидетельства того, что тектоника плит и массивные извержения вулканов сыграли свою роль.
В статье авторов этого нового исследования говорится, что эта модель подразумевает, что для создания богатого кислородом мира необходим определенный уровень удачи. «Если бы не произошло одного извержения вулкана или не развился определенный тип организма, то кислород мог бы остановиться на низких уровнях», - говорится в заявлении.
Но, возможно, это не так.
Их новое исследование называется «Ступенчатая оксигенация Земли - неотъемлемое свойство глобального биогеохимического цикла», и слово «врожденный» является ключевым здесь. Авторы говорят, что, как только у нас были правильные микробы и тектоника плит, которые были созданы 3 миллиарда лет назад, мы достигли уровня кислорода, который мы имеем сейчас, только вопрос времени. Независимо от вулканов и наземных растений.
“Это исследование действительно проверяет наше понимание того, как Земля стала богатой кислородом и, таким образом, способна поддерживать разумную жизнь.“
Льюис Олкотт, ведущий автор, Институт наук о поверхности Земли, Университет Лидса.
В отличие от внешних сил, именно «набор внутренних обратных связей, включающих глобальные циклы фосфора, углерода и кислорода», привел к оксигенации Земли, как говорится в исследовании. Фактически, эти циклы «произвели бы ту же трехступенчатую схему, которая наблюдалась в геологической записи».
Все это сводится к этому из статьи: «Мы заключаем, что события оксигенации Земли полностью согласуются с постепенным оксигенацией поверхности планеты после эволюции кислородного фотосинтеза».
Но как они пришли к такому выводу?
Исследователи из Университета Лидса в Великобритании. Ведущий автор - Льюис Дж. Олкотт, аспирант из Института наук о поверхности Земли. Олкотт и другие исследователи работали с устоявшейся моделью морской биогеохимии и модифицировали ее. Они опробовали эту модель на протяжении всей истории Земли и обнаружили, что она сама по себе произвела три основных события оксигенации.
В пресс-релизе Олкотт сказал: «Это исследование действительно проверяет наше понимание того, как Земля стала богатой кислородом и, таким образом, способна поддерживать разумную жизнь».
Доминирующее мышление в истории оксигенации Земли основывается на нескольких широких категориях событий, чтобы объяснить это. Одним из них являются основные эволюционные разработки в формах жизни, которые производят кислород. По сути, это «биологические революции», когда формы жизни становились все более сложными и создавали среду, обогащенную кислородом. Вторая категория - это тектонические революции: резкое и особенное увеличение тектонической активности, включая значительную вулканическую активность, которая изменила кору и привела к повышению уровня кислорода.
Было много споров о точном характере обеих этих широких категорий, но это новое исследование дает ученым возможность задуматься. Вместо того, чтобы полагаться на «пошаговые» события, которые могут быть точно определены в геологической записи для объяснения оксигенации, новое исследование указывает на циклы обратной связи между фосфором, углеродом и кислородом.
Исследование также предполагает, что оксигенация была неизбежна.
Соавтор исследования профессор Саймон Полтон, также из Школы Земли и окружающей среды в Лидсе, сказал: «Наша модель предполагает, что оксигенация Земли до уровня, который может поддерживать сложную жизнь, была неизбежна, как только микробы, производящие кислород, эволюционировали. »
В основе этой новой модели лежит морской фосфорный цикл. Их модель производила ту же трехэтапную схему оксигенации, которую испытывала Земля, «когда она двигалась исключительно постепенным переходом от восстановления к окислительным поверхностным условиям с течением времени. Переходы обусловлены тем, как морской фосфорный цикл реагирует на изменение уровня кислорода, и как это влияет на фотосинтез, который требует фосфора ».
«Наша работа показывает, что взаимосвязь между глобальными циклами фосфора, углерода и кислорода имеет фундаментальное значение для понимания истории оксигенации Земли. Это может помочь нам лучше понять, как планета, отличная от нашей, может стать пригодной для жизни », - сказал старший автор доктор Бенджамин Миллс.
Так что еще есть надежда на некоторые из этих экзопланет.
Это исследование не будет последним словом по этому вопросу. Но это интригующий результат, и, если он выдержит дальнейшее научное исследование, он вполне может повлиять на то, как мы характеризуем экзопланеты, которые мы уже нашли, и на тысячи других, которые мы найдем с TESS и другими будущими телескопами для поиска планет.
Больше:
- Пресс-релиз: Вдыхание новой жизни в кислородные дебаты Земли
- Научно-исследовательская работа: ступенчатое окисление Земли является неотъемлемым свойством глобального биогеохимического цикла
- Статья: Воздухопроницаемая атмосфера может быть более распространенной во вселенной, чем мы думали
- Исследовательский доклад (2014): повышение уровня кислорода в раннем океане и атмосфере Земли
