В истории Земли существует событие, которое стало настоящей точкой перелома в развитии планеты — Великий кислородный прорыв, также известный как Великая оксидизация. Это был период, когда биологически производимый кислород впервые начал накапливаться в атмосфере и поверхностных водах Земли. Произошло это примерно 2,45–2,06 миллиарда лет назад, на рубеже архейско-протерозойской границы, и последствия этого процесса были поистине революционными — как для химии атмосферы и океана, так и для биосферы в целом. До эпохи Великого кислородного прорыва атмосфера Земли была практически лишена свободного кислорода. В то время она представляла собой слабо восстанавливающую среду, в состав которой входили азот, углекислый газ и метан, поддерживающие условия, которые на тот момент поддерживали анаэробную жизнь микроорганизмов.
Однако на поверхности существовали и организмы, способные к фотосинтезу, особенно род цианобактерий, которые в процессе фотолиза воды выделяли кислород. Сложным вопросом для науки остаётся, почему этот кислород в течение сотен миллионов лет не накапливался в атмосфере, а быстро поглощался разными O2-стоками — растворённым железом в океанах, вулканическими газыми и другими химическими веществами. Геологическое и изотопное доказательства той эпохи служат источником понимания событий Великого кислородного прорыва. Значительное количество отложений в виде полосатых железистых формаций (бендовых железистых формаций или BIF) формировались в морях благодаря взаимодействию растворённого в воде двухвалентного железа с кислородом. Эти минералы свидетельствуют о том, что кислород активно окислял железо, превращая его в нерастворимые формы, которые оседали на дно океана.
Такие формации встречаются в глобальном масштабе и датируются возрастом около 2,5 миллиардов лет. Прекращение их образования около 1,85 миллиарда лет назад указывает на уравновешивание процессов окисления и насыщение океанов кислородом. Другим ярким индикатором изменения атмосферы стал анализ изотопов серы: до Великого кислородного прорыва присутствовал массивный эффект массово-независимого расщепления (MIF) изотопов серы в серных минералах, что указывает на отсутствие защитного озонового слоя и проникновение ультрафиолетового излучения. После эпохи изменения этот эффект исчез, что служит свидетельством установления атмосферного озона и наличия стабильного кислородного слоя в атмосфере. Несмотря на то, что кислород был токсичен для множества анаэробных организмов, в то время возникли и новые возможности для эволюции — появились аэробные формы жизни, развивалась симбиоз между археями и аэробными бактериями, что в итоге привело к появлению эукариот.
Развитие митохондрий, энергетических центров клетки, которые эффективно используют кислород, было тесно связано с этим событием. Возникновение сложной многоклеточной жизни стало возможным именно благодаря повышению уровня атмосферного кислорода, так как аэробный метаболизм значительно увеличивал доступную энергию для организмов. Стремительное накопление кислорода в атмосфере также оказало сильное влияние на климат. Окисление метана, мощного парникового газа, до углекислого газа снижало способность атмосферы удерживать тепло, что способствовало появлению серии глобальных ледниковых периодов, известных как гурианские оледенения. Оказалось, что чрезмерное повышение содержания кислорода стало одной из причин охлаждения Земли и, возможно, временного угнетения биосферы.
Научные гипотезы пытаются объяснить задержку между появлением кислородопродуцирующих цианобактерий и накапливанием свободного кислорода в атмосфере. Основной идеей является баланс между источниками — фотосинтезом — и поглотителями кислорода. Служащие поглотителями железо, сера, метан и другие восстановленные вещества потребляли кислород, не давая ему выйти в атмосферу. Для накопления кислорода требовалось исчерпание всех этих поглотителей, что заняло десятки миллионов лет. Кроме того, важную роль сыграли изменение циркуляции химических веществ в океане, редукция вулканической активности и изменение геотектонических условий, способствовавшие развитию прибрежных мелководных бассейнов, где мог эффективно накапливаться кислород.
Также обсуждается роль уменьшения в океанах доступности никеля, важного микроэлемента для метаногенных бактерий. Его снижение привело к сокращению метаногенеза, уменьшив выработку метана — парникового газа, который улавливал тепло, и тем самым косвенно способствовало увеличению кислородной концентрации в атмосфере. Кроме того, было предложено, что увеличение длительности светового дня могло повлиять на эффективность фотосинтеза и выделение кислорода, поскольку более длинные световые периоды способствовали увеличению чистого производства кислорода. В сочетании с биологическими и геологическими процессами это создавало условия для качественных изменений в атмосфере. После Великого кислородного прорыва мир начал постепенно переходить в новую фазу эволюции — возросла минералогическая сложность Земли, появились новые минералы, сформированные в окислительных условиях.
Богатство минералов по сравнению с предыдущими эпохами увеличилось более чем вдвое, что повлияло на форму и свойства земной коры и верхних слоев мантии. Одним из заметных явлений, связанных с оксигенацией, стал процесс, известный как Ломагунди-Джатули эффект — временный пик содержания кислорода, дотягивающий вплоть до современных уровней, после которого кислород снизился до более умеренных значений. Это подтверждается углеродным изотопным анализом древних карбонатных осадков. Появилась гипотеза о том, что именно в этот кратковременный кислородный пик впервые могли возникнуть эукариоты, что стало важным этапом в эволюции сложных организмов. Современные методы изучения древних микрофоссилий и биомаркеров продолжают доносить всё новые сведения о жизни до и во время Великого кислородного прорыва.
Возникают предположения о существовании «кислородных оазисов» — небольших пространств, где кислород локально накапливался, что позволяло ранним аэробным организмам выживать. В целом Великий кислородный прорыв — это не одноразовое резкое событие, а продолжительный и сложный процесс, включающий множество этапов и обратных связей между биосферой, атмосферой и литосферой. Он положил начало эре атмосферы с постоянным содержанием кислорода, сделавшей возможным появление разнообразия жизни такой, какую мы знаем сегодня. Понимание этого события важно не только для истории Земли. При исследовании других планет оно помогает находить признаки возможной жизни и её воздействия на атмосферу.
Также анализ процессов Великого кислородного прорыва раскрывает общие принципы взаимодействия биологических и геологических систем, что помогает прогнозировать развитие нашей планеты в будущем. Так, Великий кислородный прорыв символизирует не просто химическую трансформацию земной атмосферы, а фундаментальное изменение условий жизни, которые сформировали современный мир. Благодаря ему появилась возможность для эволюции сложной органической жизни, а сама планета приобретала разнообразие форм и процессов, которые определяют её динамику до сих пор.
