Кислородная катастрофа (кислородная революция) - глобальное изменение состава атмосферыЗемли , произошедшее в конце архея - начале протерозоя , около 2,4 млрд лет назад (период сидерий ). Результатом Кислородной катастрофы стало появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный. Предположение о кислородной катастрофе было сделано на основе изучения резкого изменения характера осадконакопления.
До значительного повышения содержания кислорода в атмосфере почти все существующие формы жизни были анаэробами , то есть обмен веществ в живых формах зависел от форм клеточного дыхания, которые не требовали кислорода. Доступ кислорода в больших количествах губителен для большинства анаэробных бактерий, поэтому в это время большая часть живых организмов на Земле исчезла. Оставшиеся формы жизни были либо невосприимчивы к окислению и губительному воздействию кислорода, либо проводили свой жизненный цикл в среде, лишенной кислорода.
Накопление O 2 в атмосфере Земли:
1. (3.85-2.45 млрд лет назад) - O 2 не производился
2. (2.45-1.85 млрд лет назад) O 2 производился, но поглощался океаном и породами морского дна
3. (1.85-0.85 млрд лет назад) O 2 выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4. (0.85-0.54 млрд лет назад)
5. (0.54 млрд лет назад- по настоящее время) резервуары O 2 заполнены и начинается накопление в атмосфере
Первичный состав атмосферы протерозоя
Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако считается общепризнанным, что она сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. Основу ее составляли углекислый газ , сероводород , аммиак , метан . В пользу этого свидетельствуют:
- неокисленные отложения, образовавшиеся явно на поверхности (например, речная галька из нестойкого к кислороду пирита );
- отсутствие известных значимых источников кислорода и других окислителей;
- изучение потенциальных источников первичной атмосферы (вулканические газы, состав других небесных тел).
Причины кислородной катастрофы
Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие
организмы. Появившись в самом начале существования биосферы, фотосинтезирующие архебактерии
вырабатывали кислород, который практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворенных соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально, в пределах бактериальных матов
(т. н. «кислородные карманы»). После того, как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.
Кроме того, одним из вероятных факторов, повлиявших на смену микробных сообществ, было изменение химического состава океана. Так, по одной из гипотез
, функционирование древних бактериальных матов могло быть подавлено снижением концентрации никеля
, играющим важную роль в метаногенезе
. Снижение концентрации этого и других веществ могло быть вызвано угасанием вулканической активности.
Последствия кислородной катастрофы
Биосфера
Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной , неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными , ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «атмосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана , существенно расширившего границы биосферы и привело к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным ) кислородного дыхания.
Литосфера
В результате кислородной катастрофы практически все метаморфические и осадочные породы , составляющие большую часть земной коры, являются окисленными.
Сиде́рий (от др.-греч. σίδηρος - железо) - геологический период, часть палеопротерозоя . Охватывает временной период от 2,5 до 2,3 миллиарда лет назад. Датировка чисто хронологическая, не основана на стратиграфии .
На начало этого периода приходится пик появления железосодержащи х пород. Они формировались в условиях, когда анаэробные водоросли производили отработанный кислород , который, смешиваясь с железом, образовывал магнетит (Fe 3 O 4 , оксид железа ). Этот процесс вычищал железо из океанов . В конечном итоге, когда океаны прекратили поглощать кислород, процесс привел к образованию насыщенной кислородом атмосферы , которую мы имеем на сегодняшний день.
Атмосфера
В результате изменения химического состава атмосферы после кислородной катастрофы изменилась ее химическая активность, сформировался озоновый слой, резко уменьшился парниковый эффект . Как следствие, планета вступила в эпоху Гуронского оледенения .
Гуронское оледенение
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Гуро́нское оледене́ние - древнейшее и наиболее продолжительное оледенение Земли. Началось и закончилось в эпоху палеопротерозоя , длилось около 300 млн. лет.
Причины оледенения
1. Первопричиной гуронского оледенения была кислородная катастрофа , при которой в атмосферу Земли поступило большое количество кислорода , выработанного фотосинтезирующими организмами. Метан , который ранее присутствовал в атмосфере в больших количествах и давал основной вклад в парниковый эффект , соединился с кислородом и превратился в углекислый газ и воду. Изменения состава атмосферы, в свою очередь, привели к сокращению численности метаногенов , что вызвало дополнительное снижение уровня метана.
2. Колоссальные масштаб и длительность Гуронского оледенения могут быть связаны также с так называемым парадоксом слабого молодого Солнца .
3. Теория «Земля-снежок» (англ. Snowball Earth ) - гипотеза , предполагающая, что Земля была полностью покрыта льдом в части криогенийского и эдиакарского периодов Неопротерозойской эры, и, возможно, в другие геологические эпохи.Объясняет похолодание растворением углекислого газа C O 2 в океанах и превращение его в известняки Ca C O 3
4. Сосредоточение континентов в форме суперконтиннта Родиния и возникновение ледяного щита, подобного Антарктиде.
) объединил целый ряд феноменов, связанных с рубежом архея и протерозоя, под именем «Великое кислородное событие» (Great Oxigenation Event). Имеющиеся данные позволяли представить этот рубеж таким образом: начало деятельности фотосинтетических организмов, накопление кислорода в связи с ней, и постепенное превращение планеты из восстановительной в окислительную. Последующие работы существенно скорректировали эту модель. Фотосинтетические организмы, выделяющие кислород, зародились на заре архейской жизни, но свободный кислород на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма. 90% своей жизни планета имела практически бескислородную гидросферу и атмосферу, при этом в протерозое содержание кислорода оказывается существенно меньшим, чем предполагалось прежде, и исключительно непостоянным.
В 50-х годах XX века стали накапливаться данные о раннепротерозойском кислородном скачке (Кислородная катастрофа , или Great Oxigenation Event , «Великое кислородное событие»). Складывалось представление, что ранняя атмосфера планеты была восстановительной, а затем 2,6–2,2 млрд лет назад атмосфера и океан постепенно стали наращивать свободный кислород. Кислород образовывался как побочный продукт деятельности фотосинтетиков: для получения энергии они использовали самое легкодоступное вещество на планете - воду. Такая модель основывалась на геохимических данных. Основным из них считалось высокое содержание в архейских породах двухвалентного (недоокисленного) железа в виде пирита (FeS 2), магнетита (Fe 3 O 4), сидерита (FeCO 3). Зерна пирита при этом могли быть хорошо обкатаны, а, следовательно, они подвергались активному воздействию поверхностных вод и атмосферы. Также показательным виделось присутствие в древнейших породах графита (неокисленного углерода), лазурита (Na 2 S - неокисленная сера), а также железо-марганцевых руд. Эти последние формируются преимущественно в низкокислородных условиях, так как в неокисленном состоянии железо и марганец мигрируют вместе, а при повышенном содержании кислорода железо теряет подвижность, и их пути расходятся. В конце 60-х годов было представлено еще одно важное доказательство в пользу восстановительной атмосферы на древней Земле: осадочные уранинитовые конгломераты. Они могли накапливаться только в отсутствии кислорода, поэтому их находят только в древнейших породах. В протерозойских породах стали преобладать минералы с высокой степенью окисления элементов, железо-марганцевые руды и ураниниты исчезли. Зато появились редкие элементы, которые включаются в осадочные минералы в присутствии кислорода.
Проверка и уточнение этой гипотезы заняли следующие четыре десятка лет. Что вызвало кислородную революцию? Каковы датировки этого события? Куда девался кислород до великой кислородной революции и был ли он вообще? Почему вброс кислорода на рубеже архея и протерозоя произошел относительно быстро, а накопление кислорода шло медленно? Какова роль живых организмов в этом процессе? На все эти вопросы следовало поискать ответы. На страницах Nature Тимоти Лайонз (Timothy Lyons) с коллегами из отделения наук о Земле Калифорнийского Университета в Риверсайде суммировали то, что за это время удалось узнать. Картина, как выясняется, и сложнее, и интереснее, чем первоначальная простая модель, схематично изображенная на рис. 2.
В связи с обсуждениями этой модели прежде всего следует задать вопрос о датировках кислородного события: все же, когда это произошло? Обычно, отвечая на этот вопрос, ссылаются на данные по фракционированию серы. Из-за разной реакционной способности изотопы серы накапливаются в минералах в определенных соотношениях - в этом и суть фракционирования изотопов. По этим соотношениям судят о механизмах фракционирования: механических соответственно массе изотопов (это масс-зависимое фракционирование) или биологических (это масс-независимое фракционирование). Сигнал о смене масс-независимого фракционирования на масс-зависимое фракционирование легко читается в архейских и протерозойских породах. Считалось, что масс-независимое фракционирование обеспечивали бактерии сульфатредукторы: они предпочитали для своих нужд более легкие изотопы. Поэтому архейское время с масс-независимым сигналом считали анаэробным миром сульфатредукторов. А когда в наступившем кислородном изобилии их восстановительный мир, как предполагалось, съежился до крошечных анклавов, то и биологическое фракционирование серы в основном остановилось. И по этому сигналу датировалось наступление Великой кислородной революции. Однако удалось красиво доказать, что сдвиг от масс-независимого к масс-зависимому фракционированию изотопов серы объясняется вовсе не свержением сульфатредукторов с их господствующих позиций (об этом см. новость Древнейшие бактерии архея не были сульфатредукторами , «Элементы», 28.09.2012). Этот переход был связан с изменениями в архейской атмосфере (ее прозрачностью, плотностью, типами и объемом вулканических выбросов). Это не значит, что сульфатредукторов не было, это не значит, что не было биологического масс-независимого фракционирования серы. Это означает, что не следует связывать датировку событий фракционирования серы с кислородной революцией. Сульфатредукторы - своим чередом, а фракционирование серы - своим, и где тут помещается поступление кислорода - неизвестно. Более того, сигнал масс-независимого фракционирования может быть «размазан» во времени из-за постоянного геологического круговорота серы. Минералы, несущие тот или иной сигнал фракционирования, могли сформироваться в более древние времена, затем оказаться погребенными, затем вновь подняться к поверхности. Таким образом, древний сигнал может появиться и в более молодых образцах. Поэтому на сегодняшний день трудно, во-первых, связать сигнал о масс-независимом фракционировании с определенным временем, во-вторых, с определенным биологическим механизмом, в третьих, с кислородным событием.
Другой возможный подход к датировке кислородного события основан на поиске следов производителей кислорода - цианобактерий и других хлорофилл-содержащих организмов. Таким способом можно убить сразу двух зайцев - и оценить время наступления кислородной эры, и прикинуть, кто за этим стоит. Палеонтологи находят множество архейских ископаемых, которые интерпретируются как те или иные микроорганизмы. Но их морфология настолько проста, что трудно с уверенностью утверждать, что их метаболизм основывался на кислородном фотосинтезе.
Считалось также, что в рассуждениях об архейской жизни можно опираться на данные по биомаркерам - молекулам, специфически указывающих на тот или иной тип метаболизма и/или тип микроорганизмов. Такими, например, являются молекулы стеранов , присущих только эукариотам; для их синтеза необходим кислород. Стераны обнаружили в породах, возрастом 2,7 млрд лет. Пока ученые обсуждали, так ли уж необходим кислород для синтеза стеранов, а если необходим, то в каком количестве, оказалось, что взбудоражившие всех стераны являются позднейшим загрязнением (об этом читайте в новости Древнейшие следы эукариот и цианобактерий на Земле признаны поздним загрязнением , «Элементы», 29.10.2008). Кроме того, некоторые последние работы заставляют сомневаться в надежности данных по биомаркерам: из них многие могут оказаться позднейшим загрязнением. Но опять же, это не означает, что фотосинтетиков не было. Они были, и даже с большой вероятностью.
Чтобы подтвердить свои предположения, Лайонз с коллегами предлагает обратить внимание на график распределения органического вещества в осадочных породах архея (рис. 3).
Поразительно! Органического углерода в архее продуцировалось столько же, сколько и в населенном неогене. Теоретически продуцентами этой органики можно представить и железобактерий, окисляющих Fe 2+ до Fe 3+ , и сульфатредукторов, окисляющих сероводород, и некоторых других экзотических фото- и хемосинтетиков. Но геохимические данные не позволяют считать этих продуцентов решающей силой. Все же в первую очередь приходится обращаться к кислородному фотосинтезу, чтобы объяснить высокую продукцию органики в архее. Следовательно, фотосинтетики уже вовсю работали в архее. Это заключение в большей степени основано на логике, чем на фактических данных. Кроме того, оно, хотя и отодвигает глубоко в архей начало кислородной жизни, но не помогает датировать события кислородной революции.
Об изменениях в характере синтеза органики судили по резким скачкам на изотопной кривой δ 13 С (рис. 4). В раннем протерозое около 2,4 млрд лет назад на кривой появляется высокий положительный экскурс (то есть, происходило повышение доли захороненной биологической продукции углерода), а около 2,2–2,1 - отрицательный. Как выясняется, раннепротерозойский пик δ 13 С асинхронный, а значит, его нельзя просто истолковать как повсеместное увеличение органического производства. Скорее нужно рассматривать увеличение захороненной органики как результат дисбаланса между процессами накопления (захоронения) и разложения органики. Ясно, что если эти два процесса идут с одинаковой скоростью, то ничего не накапливается и не подвергается захоронению, а значит, и никакого сигнала мы, вероятно, не получим. Сдвиг на изотопной кривой трактуется как нарушение этого баланса в сторону накопления.
Кислород в любом случае образуется, но быстро расходуется на окисление каких-то продуктов. В архее, как указывают авторы статьи, этими продуктами были, вероятно, вулканические газы - сероводород, сернистый газ, метан и водород. Изменения в характере вулканизма уменьшили поступление этих газов, кислород в итоге стал накапливаться. Все это вместе говорит о том, что «Великое кислородное событие» следует рассматривать как результат изменений вулканических процессов и геохимических соотношений, а не сдвигов биологической активности и метаболизма.
С этих позиций удобно истолковать наступление гуронского оледенения , вероятно, первого оледенения, превратившего планету в снежный шарик. Во время изменений вулканической деятельности, во-первых, в атмосферу стало поступать меньше метана и других парниковых газов, во-вторых, метан быстро окислялся появившимся кислородом. Для тогдашней планеты с ее тусклым солнышком (светимость Солнца в архее составляла 70-80% от современного) уменьшение количества парниковых газов оказалось критично: наступила долгая стужа, планета замерзла.
Как это ни удивительно, но вслед за кислородным событием на рубеже архея и протерозоя (уже ясно, что его не следует называть великим, так как собственно события и не было) не последовало постепенного нарастания кислорода, как можно было бы ожидать при наступлении эры фотосинтетиков. Количество кислорода то снижалось, то вновь увеличивалось, планетные оледенения то наступали, то заканчивались... Так, около 2,08–2,06 млрд лет назад количество кислорода резко снизилось. Соответственно упало и количество захороненной биоорганики. Причины этих скачков пока неизвестны. Также настораживает наличие неокисленных хрома и марганца в протерозойских палеопочвах: в присутствии кислорода эти металлы должны были бы окислиться чрезвычайно быстро.
Также оказалась несостоятельной гипотеза о существовании стратифицированного океана с насыщенными кислородом поверхностными водами и насыщенными сероводородом глубокими водами (модель Черного моря). Скорее всего, напротив, сероводородные слои размещались на мелководьях (рис. 5). И это как раз было следствием активной жизни и высокой органической продукции мелководий фотической зоны . Хотя, безусловно, кислородная стратификация океана так или иначе имела место.
В результате суммирования всех этих данных и рассуждений получается, что содержание кислорода в атмосфере и океане на протяжении протерозоя было непостоянным. Оно немного повысилось по сравнению с археем, хотя оставалось сравнительно низким - ниже, чем предполагалось прежде. Стоит заметить, что никаких особых изменений в биоте с кислородными флуктуациями не связано.
Таким образом, история кислорода на планете предстает несколько иной, чем представлялось прежде (рис. 6). Кислородный фотосинтез и, соответственно, использующие его фотосинтетики существовали с самых ранних архейских времен. Свободный кислород - побочная продукция их метаболизма - мог накапливаться локально (голубые стрелки на схеме), однако масштаб раннего фотосинтеза на планете пока трудно оценить. Весь этот кислород уходил на окисление органики и других элементов, в частности, вулканических газов. Изменения в характере вулканизма на планете начались в позднем архее. Они были связаны с формированием и стабилизацией континентальных плит. В результате этих геологических процессов баланс поступления кислорода и его изъятия резко нарушился: в атмосферу стал поступать свободный кислород. Эти взаимосвязанные процессы заняли значительное время, а не случились в конце архея по мановению волшебной «фотосинтетической» палочки. В течение протерозоя уровень кислорода менялся, временами на порядок, но в среднем оставался низким. Глубокие слои океана оставались бескислородными. В конце протерозоя океан оказался насыщенным кислородом до самых глубин.
Остается загадкой второй кислородный скачок, который произошел в конце протерозоя. С ним связывается появление многоклеточной жизни. Как это ни парадоксально, при наличии большого числа отложений этого возраста и, соответственно, внушительного количества данных по этому критическому интервалу, сейчас трудно сформулировать сколько-нибудь законченную модель этого кислородного сдвига. Важно, что незадолго до него появилось очень большое количество отложений органики, обогащенной легкими изотопами, а затем последовало великое оледенение и планета превратилась в снежный шар. После оледенения захоранивалась органика с низким изотопным сигналом 13 С. Иными словами, череда глобальных событий напоминает ту, что относится к раннепротерозойской последовательности. Ясно, что и в этом случае мог нарушиться баланс между производством и стоком кислорода.
Обзор ясно показывает, что наши знания о древнейших временах нашей планеты не полны, или даже ужасающе бедны. Остается лишь надеяться на будущих исследователей, и что этот неподатливый материал все же откроет им свои тайны.
Наша планета является сложной, динамично развивающейся уже на протяжении более чем 4,5 миллиарда лет системой. Все компоненты этой системы (твердое тело Земли, гидросфера, атмосфера, биосфера), взаимодействуя друг с другом, непрерывно изменялись в непростой, подчас неочевидной взаимосвязи. Современная Земля - промежуточный итог этой длительной эволюции.
Один из важнейших компонентов системы, которую представляет собой Земля - атмосфера, непосредственно соприкасающаяся и с литосферой, и с водной оболочкой, и с биосферой, и с солнечным излучением. На некоторых этапах развития нашей планеты атмосфера переживала весьма значительные изменения с далеко идущими последствиями. Одно из таких глобальных изменений носит название кислородной катастрофы. Значение этого события в истории Земли исключительно велико. Ведь именно с ним были связаны дальнейшие пути развития жизни на планете.
Что такое кислородная катастрофа
Термин возник в начале второй половины XX века, когда на основе изучения процессов докембрийского осадконакопления был сделан вывод о скачкообразном повышении содержания кислорода до 1 % от современного его количества (точки Пастера). В результате атмосфера приняла устойчиво окислительный характер. Это, в свою очередь, привело к развитию форм жизни, использующих вместо ферментативного брожения (гликолиза) значительно более эффективное кислородное дыхание.
Современные исследования внесли существенные уточнения в ранее существующую теорию, показав, что содержание кислорода на Земле и до, и после границы архея и протерозоя значительно колебалось, и в целом история атмосферы гораздо сложнее, нежели представлялось ранее.
Древнейшая атмосфера и деятельность примитивной жизни
Первичный состав атмосферы нельзя установить с абсолютной точностью, да и вряд ли он был в ту эпоху постоянным, однако ясно, что основу его составляли вулканические газы и продукты их взаимодействия с породами земной поверхности. Существенно то обстоятельство, что среди них не могло быть кислорода - он не является вулканическим продуктом. Ранняя атмосфера, таким образом, была восстановительной. Практически весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение.
Геохимическая и инсоляционная обстановки, вероятно, способствовали формированию матов - слойчатых сообществ прокариотных организмов, причем некоторые из них уже могли осуществлять фотосинтез (сначала аноксигенный, например, на основе сероводорода). Довольно скоро, по-видимому, уже в первой половине архея, цианобактерии освоили высокоэнергетический кислородный фотосинтез, который и стал виновником процесса, получившего наименование кислородной катастрофы на Земле.
Вода, атмосфера и кислород в архее
Необходимо помнить, что примитивный ландшафт отличался прежде всего тем, что вряд ли правомерно говорить об устойчивой границе «суша - море» для той эпохи из-за интенсивного размыва суши вследствие отсутствия растений. Правильнее будет представить себе часто затопляемые обширные участки с крайне непостоянной береговой линией, таковы были условия существования цианобактериальных матов.
Выделяемый ими кислород - отходы жизнедеятельности - поступал в океан и в нижние, а потом и в верхние слои атмосферы Земли. В воде он окислял растворенные металлы, прежде всего железо, в атмосфере - газы, входившие в ее состав. Кроме того, он расходовался на окисление органики. Никакого накопления кислорода не происходило, имели место лишь локальные повышения его концентрации.
Долгое становление окислительной атмосферы
В настоящее время кислородный скачок конца архея связывают с изменениями в тектоническом режиме Земли (формирование настоящей континентальной коры и становление тектоники плит) и вызванным ими изменением характера вулканической активности. Следствием его стало снижение парникового эффекта и длительное Гуронское оледенение, тянувшееся от 2,1 до 2,4 млрд лет. Известно также, что вслед за скачком (примерно 2 млрд лет назад) последовало падение содержания кислорода, причины которого пока неясны.
В течение почти всего протерозоя, до 800 млн лет назад, концентрация кислорода в атмосфере колебалась, оставаясь, однако, в среднем весьма низкой, хотя уже и выше, чем в архее. Предполагается, что подобный неустойчивый состав атмосферы связан не только с биологической деятельностью, но и в немалой степени с тектоническими явлениями и режимом вулканизма. Можно сказать, что кислородная катастрофа в истории Земли растянулась почти на 2 миллиарда лет - это было не столько событие, сколько длительный сложный процесс.
Жизнь и кислород
Появление в океане и атмосфере свободного кислорода как побочного продукта фотосинтеза привело к тому, что получили развитие аэробные организмы, способные к усвоению и использованию в жизнедеятельности этого токсичного газа. Отчасти это объясняет тот факт, что в течение столь долгого периода кислород не накапливался: довольно быстро появились формы жизни, утилизировавшие его.
Кислородный всплеск на рубеже архей-протерозой коррелирует с так называемым событием Ломагунди-Ятулий - изотопной аномалией углерода, прошедшего через органический цикл. Возможно, этот всплеск привел к расцвету ранней аэробной жизни, примером чему может служить франсвильская биота с датировкой около 2,1 млрд лет назад, включающая предположительно первые на Земле примитивные многоклеточные организмы.
Вскоре, как уже отмечалось, содержание кислорода упало и далее колебалось вблизи довольно низких значений. Может быть, вспышка жизни, вызвавшая повышенный расход кислорода, которого было все-таки еще весьма мало, сыграла некоторую роль в этом падении? В дальнейшем, однако, неизбежно должны были возникать своего рода «кислородные карманы», где аэробная жизнь существовала достаточно комфортно и предпринимала неоднократные попытки «выйти на многоклеточный уровень».
Последствия и значение кислородной катастрофы
Итак, глобальные перемены в составе атмосферы не носили, как выяснилось, катастрофического характера. Однако последствия их действительно кардинально изменили нашу планету.
Возникли формы жизни, строящие свою жизнедеятельность на высокоэффективном кислородном дыхании, что создало предпосылки для последующего качественного усложнения биосферы. В свою очередь оно было бы невозможно без формирования озонового слоя атмосферы Земли - еще одного последствия появления в ней свободного кислорода.
Кроме того, многие анаэробные организмы не смогли приспособиться к наличию этого агрессивного газа в среде их обитания и вымерли, прочие же вынуждены были ограничиться существованием в бескислородных «карманах». По образному выражению советского и российского ученого, микробиолога Г. А. Заварзина, биосфера в результате кислородной катастрофы «вывернулась наизнанку». Следствием этого стало второе великое кислородное событие в конце протерозоя, имевшее итогом окончательное становление многоклеточной жизни.
И изменение общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный. Предположение о кислородной катастрофе было сделано на основе изучения резкого изменения характера осадконакопления.
Первичный состав атмосферы
Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако по умолчанию ученые считают, что она сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. Основу её составляли углекислый газ , сероводород , аммиак , метан . В пользу этого свидетельствуют:
- неокисленные отложения, образовавшиеся явно на поверхности (например, речная галька из нестойкого к кислороду пирита);
- отсутствие известных значимых источников кислорода и других окислителей;
- изучение потенциальных источников первичной атмосферы (вулканические газы , состав других небесных тел).
Причины кислородной катастрофы
Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы. Фотосинтез , видимо, появился на заре существования биосферы (3,7-3,8 млрд.лет назад), однако архебактерии и большинство групп бактерий не вырабатывали при фотосинтезе кислород. Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7-2,8 млрд лет назад . Выделяющийся кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворённых соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально, в пределах бактериальных матов (т. н. «кислородные карманы»). После того, как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.
Одним из вероятных факторов, повлиявших на смену микробных сообществ, было изменение химического состава океана, вызванное угасанием вулканической активности.
Последствия кислородной катастрофы
Биосфера
Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной , неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными , ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана , существенно расширившего границы биосферы, и привело к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.
Атмосфера
В результате изменения химического состава атмосферы после кислородной катастрофы изменилась её химическая активность, сформировался озоновый слой, резко уменьшился парниковый эффект . Как следствие, планета вступила в эпоху Гуронского оледенения .
Напишите отзыв о статье "Кислородная катастрофа"
Примечания
Ссылки
- - Nature 458, 750-753 (09.04.2009) (англ.)
- - CNews, 03.08.2010
- Наймарк, Елена . elementy.ru (2.03.14). .
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Кислородная катастрофа
Бородинское сражение с последовавшими за ним занятием Москвы и бегством французов, без новых сражений, – есть одно из самых поучительных явлений истории.Все историки согласны в том, что внешняя деятельность государств и народов, в их столкновениях между собой, выражается войнами; что непосредственно, вследствие больших или меньших успехов военных, увеличивается или уменьшается политическая сила государств и народов.
Как ни странны исторические описания того, как какой нибудь король или император, поссорившись с другим императором или королем, собрал войско, сразился с войском врага, одержал победу, убил три, пять, десять тысяч человек и вследствие того покорил государство и целый народ в несколько миллионов; как ни непонятно, почему поражение одной армии, одной сотой всех сил народа, заставило покориться народ, – все факты истории (насколько она нам известна) подтверждают справедливость того, что большие или меньшие успехи войска одного народа против войска другого народа суть причины или, по крайней мере, существенные признаки увеличения или уменьшения силы народов. Войско одержало победу, и тотчас же увеличились права победившего народа в ущерб побежденному. Войско понесло поражение, и тотчас же по степени поражения народ лишается прав, а при совершенном поражении своего войска совершенно покоряется.
Так было (по истории) с древнейших времен и до настоящего времени. Все войны Наполеона служат подтверждением этого правила. По степени поражения австрийских войск – Австрия лишается своих прав, и увеличиваются права и силы Франции. Победа французов под Иеной и Ауерштетом уничтожает самостоятельное существование Пруссии.
Но вдруг в 1812 м году французами одержана победа под Москвой, Москва взята, и вслед за тем, без новых сражений, не Россия перестала существовать, а перестала существовать шестисоттысячная армия, потом наполеоновская Франция. Натянуть факты на правила истории, сказать, что поле сражения в Бородине осталось за русскими, что после Москвы были сражения, уничтожившие армию Наполеона, – невозможно.
После Бородинской победы французов не было ни одного не только генерального, но сколько нибудь значительного сражения, и французская армия перестала существовать. Что это значит? Ежели бы это был пример из истории Китая, мы бы могли сказать, что это явление не историческое (лазейка историков, когда что не подходит под их мерку); ежели бы дело касалось столкновения непродолжительного, в котором участвовали бы малые количества войск, мы бы могли принять это явление за исключение; но событие это совершилось на глазах наших отцов, для которых решался вопрос жизни и смерти отечества, и война эта была величайшая из всех известных войн…
Период кампании 1812 года от Бородинского сражения до изгнания французов доказал, что выигранное сражение не только не есть причина завоевания, но даже и не постоянный признак завоевания; доказал, что сила, решающая участь народов, лежит не в завоевателях, даже на в армиях и сражениях, а в чем то другом.
Французские историки, описывая положение французского войска перед выходом из Москвы, утверждают, что все в Великой армии было в порядке, исключая кавалерии, артиллерии и обозов, да не было фуража для корма лошадей и рогатого скота. Этому бедствию не могло помочь ничто, потому что окрестные мужики жгли свое сено и не давали французам.
Выигранное сражение не принесло обычных результатов, потому что мужики Карп и Влас, которые после выступления французов приехали в Москву с подводами грабить город и вообще не выказывали лично геройских чувств, и все бесчисленное количество таких мужиков не везли сена в Москву за хорошие деньги, которые им предлагали, а жгли его.
Представим себе двух людей, вышедших на поединок с шпагами по всем правилам фехтовального искусства: фехтование продолжалось довольно долгое время; вдруг один из противников, почувствовав себя раненым – поняв, что дело это не шутка, а касается его жизни, бросил свою шпагу и, взяв первую попавшуюся дубину, начал ворочать ею. Но представим себе, что противник, так разумно употребивший лучшее и простейшее средство для достижения цели, вместе с тем воодушевленный преданиями рыцарства, захотел бы скрыть сущность дела и настаивал бы на том, что он по всем правилам искусства победил на шпагах. Можно себе представить, какая путаница и неясность произошла бы от такого описания происшедшего поединка.
Фехтовальщик, требовавший борьбы по правилам искусства, были французы; его противник, бросивший шпагу и поднявший дубину, были русские; люди, старающиеся объяснить все по правилам фехтования, – историки, которые писали об этом событии.
Со времени пожара Смоленска началась война, не подходящая ни под какие прежние предания войн. Сожжение городов и деревень, отступление после сражений, удар Бородина и опять отступление, оставление и пожар Москвы, ловля мародеров, переимка транспортов, партизанская война – все это были отступления от правил.
Прыгать с парашютом или по-иному радоваться жизни, возможно лишь благодаря Кислородной катастрофе. И чтобы не усыпить читателя, сразу скажу, что эта обзорная статья лишь определяет темы, за которыми охотится наука.
На сегодняшний день принято считать, что источник молекулярного кислорода в атмосфере - фотосинтезирующие организмы. Так пишет любая википедия. Зачем про это пишу я? Чтобы отрицать, что: «Никто не будет отрицать тот факт, что кислородную атмосферу Земли создали и продолжают поддерживать именно растения. Это случилось потому, что они научились создавать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию солнечного света (как мы помним из школьного курса биологии, подобный процесс называется фотосинтез)»
Конечно, растения тоже участвуют в атмосферном балансе, но судите сами: ок 2,5 млрд лет назад, жизнь на Земле представляли прокариоты, не способные к фотосинтезу, цианобактерии робко осваивались, а кислород в атмосфере уже был. Был, иначе за счет чего тогда к концу протерозоя все двухвалентное железо окислилось, или ушло ближе к ядру? Уже тогда, в раннепротерозойской атмосфере, парциальное давление кислорода увеличивалось не только из-за планетарных, но и космических причин. Очевидно, что кислород входил в состав океана, до появления растений: «По предположению австралийских ученых, первый сухой участок земли на нашей планете возник примерно 2,5 млрд лет назад, а до этого вся планета была покрыта сравнительно равномерным слоем воды, который образовался на поверхности после того, как Земля остыла.. ученые говорят, что к таким выводам они пришли на основе глобального физического и климатического моделирования»
Жаль, что моделируя прошлое, ученые не вспомнили, что молекула воды, которой была покрыта планета, состоит из атомов водорода и кислорода. Впрочем, наука это всего лишь метафора.
Естественно, кислород входил и в состав многих минералов при формирования первого суперконтинента. 2,5 млрд. до н.э., когда Ур становится частью Кенорленда , содействуя Кислородной катастрофе.
Это дает толчок для смены Архейского эона Протерозойским. Именно тогда, появление цианобактерий на континенте и начинает способствовать концентрации кислорода в атмосфере. Ибо цианобактерии - мутанты форм космической жизни, учились оксигенному фотосинтезу, когда на планете не было растений.
Кислород. Откуда он взялся - долгоинтересная тема. Раскрыть ее в объеме статьи возможно лишь фрагментарно. В тему, напомню о другом. О том, что леса - легкие планеты, думать ошибочно и вредно. Особенно оставаясь на ночь в комнате, полной растениями, выделяющими углекислый газ.
Немного ботаники. Да, новые лесные посадки дают кислорода больше, чем расходуют. Но и они стареют. А процессы старения и гниения жрут кислород, сохраняя его нулевой баланс. Следует так же учитывать, что «лесной» кислород используется, не отходя от кассы его обитателями. Все их разнообразие, от животных до грибов и микроорганизмов, нуждается в дыхании.
Впрочем, все мы дышим только для того, чтобы получать из пищи энергию. Удивительно, что некоторые особи умудряются часть ее расходовать на мысли, в то время, как прочие тратят на неврозы.. неважно. Важно, что леса и джунгли со своим населением, эгоистично удовлетворяют лишь собственные кислородные потребности. Тем не менее, реальная оценка ситуации говорит о том, что, кислородный голод планете не грозит:
«Наземная биота компенсирует в настоящее время лишь около 13% от антропогенного потребления кислорода, связанного со сжиганием ископаемого топлива. В результате имеет место постоянное снижение запасов молекулярного атмосферного кислорода. Однако в относительном выражении это снижение крайне незначительно из-за очень больших запасов молекулярного кислорода атмосферы (1 184 000 Гт O2). Годовое антропогенное потребление кислорода составляет лишь 0.0019% от его запаса в атмосфере, а снижение запаса кислорода - лишь 0.0016%. При нынешних темпах потребления кислорода человечеству нужно более 600 лет, чтобы уменьшить содержание кислорода на 1%.
Реальный предел потенциальным возможностям человечества по использованию кислородного ресурса атмосферы определен планетарными запасами ископаемого топлива. Потенциальные запасы в кислородном эквиваленте оцениваются в 16 500 (Rogner, 1998), 17 500 (World Energy Council, 1993) и 24 320 Гт КЭ (Keeling et al., 1993). Если использовать наибольшую из цитированных оценок, легко подсчитать, что даже при полном использовании запасов ископаемого топлива из атмосферы может быть потреблено не более 2% кислорода. Добавим, что разведанные в настоящее время запасы ископаемого топлива составляют около 25% от потенциальных. Следовательно, возможности воздействия человека на содержание кислорода атмосферы оказываются невелики..»
Если кликнуть эту ссылку, загрузится полный текст доклада:
http://www.sevin.ru/fundecology/authors/zamolodchikov.html
Почему сохраняется кислородный баланс, и какие еще процессы компенсируют потребление кислорода, природа не объясняет. Попробуем разобраться.
Очевидно, кислород попадает в атмосферу, не только благодаря сольволизу, электролизу и прочим известным процессам. Но благодаря и неизвестным человеку законам эволюции. Ибо природе не выгодно отказываться от земной жизни, вложив в ее эволюцию значительный объем солнечной энергии. Природа прагматична. Каждый ее импульс работает на созидание более совершенных форм жизни и уничтожение неэффективных.
Поэтому, кислород дает нам возможность не только спать, кушать и размножаться, но и эволюционировать убирая за собой мусор. Т.е. жить активной жизнью, санируя осознаваемое доступное пространство, помогая кислороду, выступающему в роли мусорщика. Ведь помимо сжигания ископаемого топлива, атмосферный кислород расходуется на окисление биомассы. И здесь нужно с благодарностью упомянуть болота. Они утилизируют биоту с минимальным потреблением кислорода.
Следовательно, заболоченные участки земли, а не леса, справедливости ради можно назвать «лёгкими планеты». Ибо дарят атмосфере половину вырабатываемого ими кислорода, используя оставшуюся для своих нужд. Еще болота дарят человеку торф, природные антисептики, выделяемые мхами, уменьшают парниковый эффект.. словом, участвуют в Киотском протоколе.
Теперь о том, что земную атмосферу обогащает кислородом некоторая сумма реакций, благодаря которой приятней дышать на берегу океана, чем в лесу.. напр, более активное электрохимическое разложение воды. Этот процесс начался в ту пору, когда растения еще не научились быть растениями.
Определенно, Мировой океан - депо молекулярного кислорода. Обмен кислородом между океаном и атмосферой зависят от погоды, тектоники, концентрации морской биоты. Влияют на кислородный обмен и суточные, и сезонные изменения температуры. Понятно, что похолодание способствует растворимости кислорода. В высоких широтах интенсивней, ибо условия более подходящие: атмосфера, давление, температура. Так, при омывании водой дна или берегов, ее ОН- анион увлекается электромагнитным полем в донную породу. Задерживаясь на грунте, электрон от него отрывается и уходит под мантию, нагревает и плавит породу. Провоцирует процессы Мохо
Представьте континенты, бесконечные побережья, приливы-отливы. Какой эл.химический потенциал!
А представьте простую волну, облизывающую камни. Каждая капля, каждая песчинка участвуют в процессе. Потому, на берегу всегда свежий морской воздух. Природа не любит выдумывать новое, пользуясь принципом фрактальности. Вот и камни на берегу округлые, имеющие большую площадь для контакта с водой. Так волне удобней отдавать электроны, каждый раз оставляя гальку с положительным зарядом.
Веками, тысячелетиями, миллионами лет непрерывно, волна за волной, формируются массированные эл.волны, уходящие в грунт. Потому и берега неровные, что тектоническая скальная порода разъедена кислородом и хлором. Потому мокрая галька и камни фонят кислородом.
В тему, следует вспомнить и о движении магнитных полюсов. Их перемещение так же влияет на состояние атмосферы. Ибо интенсивней кислород продуцируется ближе к магнитным полюсам планеты. И когда солнечный ветер играет с магнитными полюсами, то красный или зеленый цвета северного сияния - абсолютная заслуга кислорода.
(фото не мое, автора не помню)
Аляска, Гренландия, Канада, Норвегия, Нов.Зеландия, Шотландия, Россия - Кольский залив.
Фьорды, шхеры, бухты, пляжи или заливы… идеальные генераторы кислорода. С некоторым допущением, можно говорить о таких прибрежных зонах, как об альвеолах, участвующие в акте дыхания планеты. Нагреваясь и охлаждаясь, океаны дышат. Океаны, это легкие планеты. Они в большей мере, чем их обитатели, дарят Земле кислород. Кислород, расходуемый на нашу с вами эволюцию.
Таким образом, вся кислородная рокировка на планете Земля сбалансирована мощными механизмами. Один из которых - электрохимический. Так, что со времен Кислородной катастрофы, кислородный голод планете не грозит. Этот баланс, невзирая на ошибки человечества, сохраняется благодаря энергии звезды по имени Солнце.
А оно пока не собирается гаснуть. У Солнца иные цели.
