Երկրի մթնոլորտում 2,4 միլիարդ տարի առաջ ազատ թթվածնի պարունակության նկատելի աճը, ըստ երևույթին, մի հավասարակշռության վիճակից մյուսին շատ արագ անցման արդյունք էր: Առաջին մակարդակը համապատասխանում էր O 2-ի չափազանց ցածր կոնցենտրացիայի՝ մոտ 100 000 անգամ ավելի ցածր, քան այժմ նկատվում է: Երկրորդ հավասարակշռության մակարդակը կարելի է հասնել ներկայիս մակարդակի առնվազն 0,005 ավելի բարձր կոնցենտրացիայի դեպքում: Այս երկու մակարդակների միջև թթվածնի պարունակությունը բնութագրվում է ծայրահեղ անկայունությամբ: Նման «կենսունակության» առկայությունը թույլ է տալիս հասկանալ, թե ինչու էր Երկրի մթնոլորտում այդքան քիչ ազատ թթվածին առնվազն 300 միլիոն տարի այն բանից հետո, երբ այն սկսեցին արտադրել ցիանոբակտերիաները (կապտա-կանաչ «ջրիմուռներ»):

Ներկայումս Երկրի մթնոլորտը կազմում է 20% ազատ թթվածին, որը ոչ այլ ինչ է, քան ցիանոբակտերիաների, ջրիմուռների և բարձր բույսերի ֆոտոսինթեզի կողմնակի արդյունք: Շատ թթվածին են թողնում արևադարձային անտառները, որոնք հայտնի հրապարակումներում հաճախ անվանում են մոլորակի թոքեր։ Միևնույն ժամանակ, սակայն, լուռ է, որ տարվա ընթացքում արևադարձային անտառները սպառում են գրեթե այնքան թթվածին, որքան արտադրում են։ Այն ծախսվում է պատրաստի օրգանական նյութերը քայքայող օրգանիզմների, առաջին հերթին բակտերիաների և սնկերի շնչառության վրա: Համար, Որպեսզի թթվածինը սկսի մթնոլորտում կուտակվել, ֆոտոսինթեզի ընթացքում ձևավորված նյութի առնվազն մի մասը պետք է հեռացվի ցիկլից.- օրինակ՝ մտնել հատակի նստվածքներ և անհասանելի դառնալ բակտերիաների համար, որոնք այն քայքայում են աերոբիկ եղանակով, այսինքն՝ թթվածնի սպառմամբ:

Թթվածնային (այսինքն՝ «թթվածին տվող») ֆոտոսինթեզի ընդհանուր ռեակցիան կարելի է գրել այսպես.
CO 2 + H 2 O + hն→ (CH 2 O) + O 2,
որտեղ hնարևի լույսի էներգիան է, և (CH 2 O) օրգանական նյութերի ընդհանրացված բանաձևն է։ Շնչառությունը հակառակ գործընթացն է, որը կարելի է գրել այսպես.
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O:
Այս դեպքում օրգանիզմներին անհրաժեշտ էներգիան կազատվի։ Այնուամենայնիվ, աերոբիկ շնչառությունը հնարավոր է միայն ընթացիկ մակարդակի 0,01-ից ոչ պակաս O 2 կոնցենտրացիայի դեպքում (այսպես կոչված, Պաստերի կետ): Անաէրոբ պայմաններում օրգանական նյութերը քայքայվում են խմորման արդյունքում, և այս գործընթացի վերջին փուլերում հաճախ ձևավորվում է մեթան: Օրինակ, ացետատի ձևավորման միջոցով մեթանոգենեզի ընդհանրացված հավասարումն ունի հետևյալ տեսքը.
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2:
Եթե ​​մենք համատեղենք ֆոտոսինթեզի գործընթացը անաէրոբ պայմաններում օրգանական նյութերի հետագա տարրալուծման հետ, ապա ընդհանուր հավասարումը կունենա հետևյալ տեսքը.
CO 2 + H 2 O + hն→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2:
Օրգանական նյութերի տարրալուծման այս եղանակն էր, ըստ երևույթին, գլխավորը հին կենսոլորտում։

Շատ կարևոր մանրամասներ, թե ինչպես է հաստատվել մթնոլորտ թթվածնի մատակարարման և դրա հեռացման միջև ժամանակակից հավասարակշռությունը, մնում են անհասկանալի: Ի վերջո, թթվածնի պարունակության նկատելի աճը, այսպես կոչված, «Մթնոլորտի մեծ օքսիդացում» (Մեծ օքսիդացում), տեղի է ունեցել ընդամենը 2,4 միլիարդ տարի առաջ, չնայած հաստատ հայտնի է, որ թթվածնային ֆոտոսինթեզ իրականացնող ցիանոբակտերիաները արդեն բավականին շատ էին: և ակտիվ 2,7 միլիարդ տարի առաջ, և դրանք առաջացել են նույնիսկ ավելի վաղ՝ գուցե 3 միլիարդ տարի առաջ: Այսպիսով, ընթացքում առնվազն 300 միլիոն տարի ցիանոբակտերիաների ակտիվությունը չի հանգեցրել մթնոլորտում թթվածնի պարունակության ավելացմանը..

Այն ենթադրությունը, որ ինչ-ինչ պատճառներով զուտ առաջնային արտադրության արմատական ​​աճ (այսինքն՝ ցիանոբակտերիաների ֆոտոսինթեզի ընթացքում ձևավորված օրգանական նյութերի ավելացում) հանկարծակի տեղի ունեցավ, չդիմացավ քննադատությանը: Բանն այն է, որ ֆոտոսինթեզի ժամանակ հիմնականում սպառվում է ածխածնի 12 C լուսային իզոտոպը, իսկ միջավայրըԱվելի ծանր 13C իզոտոպի հարաբերական պարունակությունը մեծանում է, հետևաբար, օրգանական նյութեր պարունակող ստորին նստվածքները պետք է սպառվեն 13C իզոտոպում, որը կուտակվում է ջրի մեջ և առաջանում է կարբոնատներ: Այնուամենայնիվ, 12 С և 13 С հարաբերակցությունը կարբոնատներում և ին օրգանական նյութերնստվածքը մնում է անփոփոխ՝ չնայած մթնոլորտում թթվածնի կոնցենտրացիայի կտրուկ փոփոխությանը: Սա նշանակում է, որ ամբողջ կետը ոչ թե O 2-ի աղբյուրում է, այլ նրա, ինչպես ասում են երկրաքիմիկոսները, «սուզվելը» (մթնոլորտից դուրս գալը), որը հանկարծ զգալիորեն նվազել է, ինչը հանգեցրել է թթվածնի քանակի զգալի աճի։ մթնոլորտում։

Սովորաբար ենթադրվում է, որ «Մթնոլորտի մեծ օքսիդացումից» անմիջապես առաջ գոյացած ամբողջ թթվածինը ծախսվել է Երկրի մակերևույթի վրա բավականին մեծ քանակությամբ երկաթի միացությունների (և այնուհետև ծծմբի) օքսիդացման վրա։ Մասնավորապես, այդ ժամանակ ձևավորվեցին այսպես կոչված «երկաթի երկաթի հանքաքարերը»։ Սակայն վերջերս Կոլին Գոլդբլատը՝ Արևելյան Անգլիայի համալսարանի բնապահպանական գիտությունների դպրոցի ասպիրանտ (Նորվիչ, Մեծ Բրիտանիա), նույն համալսարանի երկու գործընկերների հետ եկել է այն եզրակացության, որ թթվածնի պարունակությունը երկրագնդի մթնոլորտըկարող է լինել երկու հավասարակշռության վիճակներից մեկում. այն կարող է լինել կամ շատ փոքր՝ մոտ 100 հազար անգամ պակաս, քան հիմա, կամ բավականին շատ (չնայած ժամանակակից դիտորդի դիրքից այն փոքր է)՝ ներկայիս մակարդակի 0,005-ից ոչ պակաս: .

Առաջարկվող մոդելում նրանք հաշվի են առել ինչպես թթվածնի, այնպես էլ կրճատված միացությունների մուտքը մթնոլորտ՝ մասնավորապես ուշադրություն դարձնելով ազատ թթվածնի և մեթանի հարաբերակցությանը։ Նրանք նշել են, որ եթե թթվածնի կոնցենտրացիան գերազանցում է ներկայիս մակարդակի 0,0002-ը, ապա մեթանի մի մասն արդեն կարող է օքսիդացվել մետանոտրոֆ բակտերիաներով՝ ըստ ռեակցիայի.
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O:
Բայց մեթանի մնացած մասը (և բավականին շատ է, հատկապես թթվածնի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում) մտնում է մթնոլորտ։

Ամբողջ համակարգը թերմոդինամիկայի տեսակետից գտնվում է ոչ հավասարակշռված վիճակում։ Խանգարված հավասարակշռությունը վերականգնելու հիմնական մեխանիզմը մթնոլորտի վերին շերտերում մեթանի օքսիդացումն է հիդրօքսիլ ռադիկալով (տես Մեթանի տատանումները մթնոլորտում. մարդ կամ բնություն. ով հաղթում է, «Elements», 06.10.2006): Հայտնի է, որ հիդրոքսիլ ռադիկալը ձևավորվում է մթնոլորտում ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման ազդեցության տակ: Բայց եթե մթնոլորտում շատ թթվածին կա (ներկայիս մակարդակի առնվազն 0,005-ը), ապա դրա վերին շերտերում ձևավորվում է օզոնային էկրան, որը լավ պաշտպանում է Երկիրը կոշտ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթներից և միևնույն ժամանակ խանգարում է ֆիզիկաքիմիական: մեթանի օքսիդացում.

Հեղինակները գալիս են մի փոքր պարադոքսալ եզրակացության, որ թթվածնային ֆոտոսինթեզի գոյությունն ինքնին բավարար պայման չէ ո՛չ թթվածնով հարուստ մթնոլորտի, ո՛չ էլ օզոնային էկրանի ձևավորման համար։ Այս հանգամանքը պետք է հաշվի առնել այն դեպքերում, երբ մենք փորձում ենք այլ մոլորակների վրա կյանքի գոյության նշաններ գտնել՝ հիմնվելով դրանց մթնոլորտի հետազոտության արդյունքների վրա։

Մթնոլորտի ձևավորում. Այսօր Երկրի մթնոլորտը գազերի խառնուրդ է՝ 78% ազոտ, 21% թթվածին և փոքր քանակությամբ այլ գազեր, օրինակ՝ ածխաթթու գազ։ Բայց երբ մոլորակը առաջին անգամ հայտնվեց, մթնոլորտում թթվածին չկար. այն բաղկացած էր գազերից, որոնք ի սկզբանե գոյություն ունեին Արեգակնային համակարգում:

Երկիրն առաջացել է, երբ արեգակնային միգամածության փոշուց և գազից կազմված փոքր ժայռային մարմինները, որոնք հայտնի են որպես մոլորակոիդներ, բախվել են միմյանց և աստիճանաբար ստացել մոլորակի ձև: Երբ այն մեծանում էր, մոլորակոիդներում պարունակվող գազերը պայթեցին և պարուրվեցին Երկիր. Որոշ ժամանակ անց առաջին բույսերը սկսեցին թթվածին արձակել, և սկզբնական մթնոլորտը վերածվեց ներկայիս խիտ օդային թաղանթի։

Մթնոլորտի ծագումը

1. Փոքր մոլորակոիդների անձրևը հարվածել է նորածին Երկրին 4,6 միլիարդ տարի առաջ: Արեգակնային միգամածության գազերը, որոնք պարփակված են մոլորակի ներսում, փախել են բախումից և ձևավորել Երկրի պարզունակ մթնոլորտը, որը բաղկացած է ազոտից, ածխածնի երկօքսիդից և ջրային գոլորշուց:
2. Մոլորակի ձևավորման ընթացքում արձակված ջերմությունը պահպանվում է նախնադարյան մթնոլորտի խիտ ամպերի շերտով։ «Ջերմոցային գազերը», ինչպիսիք են ածխաթթու գազը և ջրի գոլորշիները, դադարեցնում են ջերմության արտանետումը տիեզերք: Երկրի մակերևույթը ողողված է հալած մագմայի եռացող ծովով:
3. Երբ մոլորակոիդների բախումները ավելի հազվադեպ դարձան, Երկիրը սկսեց սառչել, և օվկիանոսներ հայտնվեցին: Հաստ ամպերից ջրի գոլորշիները խտանում են, և մի քանի դար տևող անձրևը աստիճանաբար հեղեղում է հարթավայրերը։ Այսպիսով, առաջին ծովերը հայտնվում են:
4. Օդը մաքրվում է, քանի որ ջրի գոլորշիները խտանում են և օվկիանոսներ են ձևավորում: Ժամանակի ընթացքում ածխաթթու գազը լուծվում է դրանցում, և մթնոլորտում այժմ գերակշռում է ազոտը։ Թթվածնի բացակայության պատճառով պաշտպանիչ շերտ չի գոյանում։ օզոնի շերտ, իսկ արեգակի ուլտրամանուշակագույն ճառագայթներն ազատորեն հասնում են երկրի մակերեսին։
5. Կյանքը հնագույն օվկիանոսներում հայտնվում է առաջին միլիարդ տարվա ընթացքում: Ամենապարզ կապույտ-կանաչ ջրիմուռները պաշտպանված են ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումից ծովի ջուր. Նրանք օգտագործում են էներգիա արտադրելու համար արևի լույսև ածխաթթու գազը, մինչդեռ թթվածինը թողարկվում է որպես կողմնակի արտադրանք, որն աստիճանաբար սկսում է կուտակվել մթնոլորտում։
6. Միլիարդավոր տարիներ անց ձևավորվում է թթվածնով հարուստ մթնոլորտ։ Մթնոլորտի վերին մասում ֆոտոքիմիական ռեակցիաները ստեղծում են օզոնի բարակ շերտ, որը ցրում է վնասակար ուլտրամանուշակագույն լույսը: Այժմ կյանքը կարող է օվկիանոսներից դուրս շարժվել դեպի ցամաք, որտեղ շատ բարդ օրգանիզմներ են առաջանում էվոլյուցիայի արդյունքում:

Միլիարդավոր տարիներ առաջ պարզունակ ջրիմուռների հաստ շերտը սկսեց թթվածին արտանետել մթնոլորտ: Նրանք գոյատևել են մինչ օրս որպես բրածոներ, որոնք կոչվում են ստրոմատոլիտներ:

Հրաբխային ծագում

1. Հինավուրց, անօդ Երկիր: 2. Գազերի ժայթքում.

Այս տեսության համաձայն՝ երիտասարդ Երկիր մոլորակի մակերեսին ակտիվորեն ժայթքել են հրաբուխներ։ Վաղ մթնոլորտը, հավանաբար, ձևավորվել է, երբ մոլորակի սիլիկոնային թաղանթում փակված գազերը դուրս են եկել հրաբուխների վարդակների միջով:

O 2-ի կուտակումը Երկրի մթնոլորտում.
1 . (3,85-2,45 միլիարդ տարի առաջ) - O 2 չի արտադրվել
2 . (2,45-1,85 միլիարդ տարի առաջ) O 2-ն արտադրվել է, բայց կլանվել է օվկիանոսի և ծովի հատակի ապարների կողմից
3 . (1,85-0,85 միլիարդ տարի առաջ) O 2-ը թողնում է օվկիանոսը, բայց սպառվում է ցամաքում ժայռերի օքսիդացման և օզոնային շերտի ձևավորման արդյունքում:
4 . (0,85-0,54 միլիարդ տարի առաջ) ցամաքի բոլոր ապարները օքսիդացված են, մթնոլորտում սկսվում է O 2-ի կուտակումը.
5 . (0,54 միլիարդ տարի առաջ – ներկա) ժամանակակից ժամանակաշրջանում մթնոլորտում O 2-ի պարունակությունը կայունացել է

Թթվածնային աղետ(թթվածնի հեղափոխություն) - Երկրի մթնոլորտի բաղադրության գլոբալ փոփոխություն, որը տեղի է ունեցել Պրոտերոզոյական դարաշրջանի հենց սկզբում՝ մոտ 2,4 միլիարդ տարի առաջ (սիդերիական ժամանակաշրջան): Թթվածնային աղետի արդյունքը մթնոլորտում ազատ թթվածնի հայտնվելն էր և փոփոխությունը. գեներալմթնոլորտը նվազեցումից մինչև օքսիդացում: Թթվածնային աղետի ենթադրությունը կատարվել է նստվածքի բնույթի կտրուկ փոփոխության ուսումնասիրության հիման վրա։

Մթնոլորտի առաջնային կազմը

Երկրի առաջնային մթնոլորտի ստույգ կազմը ներկայումս անհայտ է, սակայն ընդհանուր առմամբ ընդունված է, որ այն ձևավորվել է թիկնոցի գազազերծման արդյունքում և ունեցել է վերականգնողական բնույթ։ Դրա հիմքը ածխածնի երկօքսիդն էր, ջրածնի սուլֆիդը, ամոնիակը, մեթանը։ Սա վկայում է.

• մակերեսի վրա տեսանելիորեն ձևավորված չօքսիդացված նստվածքներ (օրինակ՝ գետի խճաքարերը թթվածնային անկայուն պիրիտից);
• թթվածնի և այլ օքսիդացնող նյութերի հայտնի աղբյուրներ չկան.
• առաջնային մթնոլորտի պոտենցիալ աղբյուրների ուսումնասիրություն (հրաբխային գազեր, այլ երկնային մարմինների բաղադրություն):

Թթվածնային աղետի պատճառները

Մոլեկուլային թթվածնի միակ նշանակալի աղբյուրը կենսոլորտն է, ավելի ճիշտ՝ ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները։ Կենսոլորտի գոյության հենց սկզբում հայտնվելով՝ ֆոտոսինթետիկ արխեբակտերիաները արտադրում էին թթվածին, որը գրեթե անմիջապես ծախսվում էր ապարների, լուծված միացությունների և մթնոլորտային գազերի օքսիդացման վրա։ Բարձր կոնցենտրացիան ստեղծվել է միայն տեղում՝ բակտերիալ գորգերի ներսում (այսպես կոչված «թթվածնի գրպաններ»): Այն բանից հետո, երբ պարզվեց, որ մթնոլորտի մակերեսային ապարներն ու գազերը օքսիդացված են, թթվածինը սկսեց կուտակվել մթնոլորտում ազատ ձևով:

Հավանական գործոններից մեկը, որն ազդել է մանրէաբանական համայնքների փոփոխության վրա, փոփոխությունն էր քիմիական բաղադրությունըօվկիանոս, որը առաջացել է հրաբխային գործունեության անհետացման հետևանքով:

Թթվածնային աղետի հետևանքները

Կենսոլորտ

Քանի որ այն ժամանակվա օրգանիզմների ճնշող մեծամասնությունը անաէրոբ էր և չկարողացավ գոյություն ունենալ թթվածնի զգալի կոնցենտրացիաներում, տեղի ունեցավ համայնքների գլոբալ փոփոխություն. Անաէրոբ համայնքները, ընդհակառակը, մղվել են «անաէրոբ գրպաններ» (պատկերավոր ասած՝ «կենսոլորտը շրջվել է ներսից դուրս»)։ Այնուհետև մթնոլորտում մոլեկուլային թթվածնի առկայությունը հանգեցրեց օզոնային էկրանի ձևավորմանը, որը զգալիորեն ընդլայնեց կենսոլորտի սահմանները և հանգեցրեց ավելի էներգետիկ (անաէրոբ) թթվածնի շնչառության տարածմանը:

Լիտոսֆերա

Որպես արդյունք թթվածնային աղետգրեթե բոլոր մետամորֆային և նստվածքային ապարները, որոնք կազմում են մեծ մասը երկրի ընդերքը, օքսիդացված են։