Cum s-a format atmosfera de oxigen a Pământului? Cauzele catastrofei de oxigen

O creștere vizibilă a conținutului de oxigen liber din atmosfera Pământului cu 2,4 miliarde de ani în urmă, aparent, a fost rezultatul unei tranziții foarte rapide de la o stare de echilibru la alta. Primul nivel corespundea unei concentrații extrem de scăzute de O 2 - de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât cea observată acum. Al doilea nivel de echilibru ar putea fi atins la o concentrație mai mare de cel puțin 0,005 față de cea actuală. Conținutul de oxigen dintre aceste două niveluri este caracterizat de instabilitate extremă. Prezența unei astfel de „bistabilitati” face posibil să înțelegem de ce a existat atât de puțin oxigen liber în atmosfera Pământului timp de cel puțin 300 de milioane de ani după ce cianobacteriile („algele”) au început să-l producă.

În prezent, atmosfera Pământului este 20% oxigen liber, care nu este altceva decât un produs secundar al fotosintezei cianobacteriilor, algelor și plantelor superioare. O mulțime de oxigen este eliberat de pădurile tropicale, care sunt adesea numite plămânii planetei în publicațiile populare. În același timp, însă, este tăcut că în timpul anului pădurile tropicale consumă aproape la fel de mult oxigen cât produc. Este cheltuit pentru respirația organismelor care descompun materia organică finită, în primul rând bacterii și ciuperci. Pentru, pentru ca oxigenul să înceapă să se acumuleze în atmosferă, cel puțin o parte din substanța formată în timpul fotosintezei trebuie eliminată din ciclu- de exemplu, intră în sedimentele de fund și devin inaccesibile bacteriilor care îl descompun aerob, adică cu consum de oxigen.

Reacția generală a fotosintezei oxigenate (adică „datoare de oxigen”) poate fi scrisă astfel:
CO2 + H20+ hν→ (CH2O) + O2,
Unde hν este energia luminii solare și (CH 2 O) este formula generalizată a materiei organice. Respirația este procesul invers, care poate fi scris astfel:
(CH2O) + O2 → CO2 + H2O.
În acest caz, energia necesară organismelor va fi eliberată. Cu toate acestea, respirația aerobă este posibilă numai la o concentrație de O 2 nu mai mică de 0,01 din nivelul actual (așa-numitul punct Pasteur). În condiții anaerobe, materia organică se descompune prin fermentație, iar metanul se formează adesea în etapele finale ale acestui proces. De exemplu, ecuația generalizată pentru metanogeneză prin formarea acetatului arată astfel:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2.
Dacă combinăm procesul de fotosinteză cu descompunerea ulterioară a materiei organice în condiții anaerobe, atunci ecuația totală va arăta astfel:
CO2 + H20+ hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2.
Se pare că acest mod de descompunere a materiei organice a fost principalul în biosfera antică.

Multe detalii importante despre modul în care s-a stabilit echilibrul modern între furnizarea de oxigen în atmosferă și eliminarea acestuia rămân neclare. La urma urmei, o creștere vizibilă a conținutului de oxigen, așa-numita „Marea oxidare a atmosferei” (Marea oxidare), a avut loc cu doar 2,4 miliarde de ani în urmă, deși se știe cu certitudine că cianobacteriile care efectuează fotosinteza oxigenată erau deja destul de numeroase. și active acum 2,7 miliarde de ani și au apărut chiar mai devreme - poate acum 3 miliarde de ani. Astfel, în timpul timp de cel puțin 300 de milioane de ani, activitatea cianobacteriilor nu a dus la o creștere a conținutului de oxigen din atmosferă.

Presupunerea că, din anumite motive, a avut loc brusc o creștere radicală a producției primare nete (adică o creștere a materiei organice formate în timpul fotosintezei cianobacteriilor) nu a rezistat criticilor. Faptul este că în timpul fotosintezei, izotopul luminos al carbonului 12 C este consumat în principal, iar în mediu inconjurator conținutul relativ al izotopului 13C mai greu crește.În consecință, sedimentele de fund care conțin materie organică ar trebui să fie epuizate în izotopul 13C, care se acumulează în apă și formează carbonați. Cu toate acestea, raportul de 12 С și 13 С în carbonați și în materie organică sedimentul rămâne neschimbat în ciuda modificărilor drastice ale concentrației de oxigen din atmosferă. Aceasta înseamnă că întregul punct nu se află în sursa de O 2, ci în „scufundarea” (retragerea din atmosferă), care a scăzut brusc semnificativ, ceea ce a dus la o creștere semnificativă a cantității de oxigen. în atmosferă.

Se crede de obicei că imediat înainte de „Marea oxidare a atmosferei” tot oxigenul format atunci a fost cheltuit pentru oxidarea compușilor redusi de fier (și apoi a sulfului), care erau destul de numeroși pe suprafața Pământului. În special, atunci s-au format așa-numitele „minereuri de fier în bandă”. Însă recent, Colin Goldblatt, doctorand la Școala de Științe ale Mediului din cadrul Universității din East Anglia (Norwich, Marea Britanie), împreună cu doi colegi de la aceeași universitate au ajuns la concluzia că conținutul de oxigen din atmosfera pământului poate fi într-una din cele două stări de echilibru: poate fi fie foarte mic - de aproximativ 100 de mii de ori mai puțin decât acum, fie destul de mult (deși din poziția unui observator modern este mic) - nu mai puțin de 0,005 din nivelul actual .

În modelul propus, au luat în considerare intrarea în atmosferă atât a oxigenului, cât și a compușilor reduși, în special, acordând atenție raportului dintre oxigenul liber și metanul. Ei au remarcat că, dacă concentrația de oxigen depășește 0,0002 din nivelul actual, atunci o parte din metan poate fi deja oxidată de bacteriile metanotrofe în funcție de reacție:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
Dar restul de metan (și există destul de mult, mai ales la concentrații scăzute de oxigen) intră în atmosferă.

Întregul sistem se află într-o stare de neechilibru din punct de vedere al termodinamicii. Principalul mecanism de restabilire a echilibrului perturbat este oxidarea metanului din straturile superioare ale atmosferei de către un radical hidroxil (vezi Fluctuațiile metanului în atmosferă: om sau natură – cine câștigă, „Elementele”, 06.10.2006). Se știe că radicalul hidroxil se formează în atmosferă sub acțiunea radiațiilor ultraviolete. Dar dacă există mult oxigen în atmosferă (cel puțin 0,005 din nivelul actual), atunci se formează un ecran de ozon în straturile sale superioare, care protejează bine Pământul de razele ultraviolete dure și, în același timp, interferează cu substanțele fizico-chimice. oxidarea metanului.

Autorii ajung la concluzia oarecum paradoxală că existența fotosintezei oxigenate în sine nu este o condiție suficientă nici pentru formarea unei atmosfere bogate în oxigen, nici pentru formarea unui ecran de ozon. Această circumstanță ar trebui luată în considerare în acele cazuri în care încercăm să găsim semne ale existenței vieții pe alte planete pe baza rezultatelor unui studiu al atmosferei lor.

Formarea atmosferei. Astăzi, atmosfera Pământului este un amestec de gaze - 78% azot, 21% oxigen și o cantitate mică de alte gaze, cum ar fi dioxidul de carbon. Dar când planeta a apărut pentru prima dată, nu exista oxigen în atmosferă - era format din gaze care existau inițial în sistemul solar.

Pământul a luat ființă atunci când mici corpuri stâncoase, formate din praf și gaz din nebuloasa solară, cunoscute sub numele de planetoide, s-au ciocnit între ele și au luat treptat forma unei planete. Pe măsură ce creștea, gazele conținute în planetoide au izbucnit și s-au învăluit Pământ. După ceva timp, primele plante au început să elibereze oxigen, iar atmosfera primordială s-a dezvoltat în învelișul de aer dens actual.

Originea atmosferei

O ploaie de planetoide mici a lovit Pământul în curs de dezvoltare acum 4,6 miliarde de ani. Gazele nebuloasei solare, închise în interiorul planetei, au scăpat la ciocnire și au format atmosfera primitivă a Pământului, formată din azot, dioxid de carbon și vapori de apă.
Căldura degajată în timpul formării planetei este reținută de un strat de nori denși ai atmosferei primordiale. „Gazele cu efect de seră” - cum ar fi dioxidul de carbon și vaporii de apă - împiedică emisia de căldură în spațiu. Suprafața Pământului este inundată de o mare clocotită de magmă topită.
Când ciocnirile planetoide au devenit mai puțin frecvente, Pământul a început să se răcească și au apărut oceanele. Vaporii de apă se condensează din norii groși, iar ploaia, care durează câțiva eoni, inundă treptat zonele joase. Astfel apar primele mări.
Aerul este purificat pe măsură ce vaporii de apă se condensează și formează oceane. În timp, dioxidul de carbon se dizolvă în ele, iar atmosfera este acum dominată de azot. Din cauza lipsei de oxigen, nu se formează un strat protector. strat de ozon, iar razele ultraviolete ale soarelui ajung liber la suprafața pământului.
Viața apare în oceanele antice în primul miliard de ani. Cele mai simple alge albastre-verzi sunt protejate de radiațiile ultraviolete apa de mare. Ei folosesc pentru a genera energie lumina soareluiși dioxid de carbon, cu eliberarea de oxigen ca produs secundar, care începe treptat să se acumuleze în atmosferă.
Miliarde de ani mai târziu, se formează o atmosferă bogată în oxigen. Reacțiile fotochimice din atmosfera superioară creează un strat subțire de ozon care împrăștie lumina ultravioletă dăunătoare. Viața se poate muta acum din oceane pe uscat, unde multe organisme complexe apar ca rezultat al evoluției.

Cu miliarde de ani în urmă, un strat gros de alge primitive a început să elibereze oxigen în atmosferă. Au supraviețuit până în zilele noastre ca fosile numite stromatoliți.

Origine vulcanică

1. Pământ antic, fără aer. 2. Erupția gazelor.

Conform acestei teorii, vulcanii au erupt activ pe suprafața tinerei planete Pământ. Atmosfera timpurie s-a format probabil când gazele prinse în carcasa de siliciu a planetei au explodat prin duzele vulcanilor.

Acumularea de O 2 în atmosfera Pământului:
1 . (acum 3,85-2,45 miliarde de ani) - O 2 nu a fost produs
2 . (acum 2,45-1,85 miliarde de ani) O 2 a fost produs, dar absorbit de ocean și rocile de pe fundul mării
3 . (acum 1,85-0,85 miliarde de ani) O 2 părăsește oceanul, dar este consumat prin oxidarea rocilor de pe uscat și formarea stratului de ozon
4 . (acum 0,85-0,54 miliarde de ani) toate rocile de pe uscat sunt oxidate, începe acumularea de O 2 în atmosferă
5 . (acum 0,54 miliarde de ani - prezent) în perioada modernă, conținutul de O 2 din atmosferă sa stabilizat

Catastrofa de oxigen(revoluția oxigenului) - o schimbare globală a compoziției atmosferei Pământului care a avut loc chiar la începutul Proterozoicului, cu aproximativ 2,4 miliarde de ani în urmă (perioada sideriană). Rezultatul catastrofei de oxigen a fost apariția oxigenului liber în atmosferă și o schimbare general atmosfera de la reducerea la oxidarea. Asumarea unei catastrofe de oxigen a fost făcută pe baza unui studiu al unei schimbări bruște a naturii sedimentării.

Compoziția primară a atmosferei

Compoziția exactă a atmosferei primare a Pământului este în prezent necunoscută, dar este general acceptat că s-a format ca urmare a degazării mantalei și a fost de natură restauratoare. Baza sa a fost dioxid de carbon, hidrogen sulfurat, amoniac, metan. Acest lucru este dovedit de:

sedimente neoxidate formate vizibil la suprafață (de exemplu, pietricele de râu din pirita oxigenată);
nu se cunosc surse semnificative de oxigen și alți agenți oxidanți;
studiul surselor potențiale ale atmosferei primare (gaze vulcanice, compoziția altor corpuri cerești).

Cauzele catastrofei de oxigen

Singura sursă semnificativă de oxigen molecular este biosfera, mai precis, organismele fotosintetice. Apărând chiar la începutul existenței biosferei, arhebacteriile fotosintetice au produs oxigen, care a fost cheltuit aproape imediat pentru oxidarea rocilor, a compușilor dizolvați și a gazelor atmosferice. O concentrație mare a fost creată doar local, în interiorul covorașelor bacteriene (așa-numitele „buzunare de oxigen”). După ce rocile și gazele de suprafață ale atmosferei s-au dovedit a fi oxidate, oxigenul a început să se acumuleze în atmosferă într-o formă liberă.

Unul dintre factorii probabili care au influențat schimbarea comunităților microbiene a fost schimbarea compoziție chimică ocean cauzat de dispariția activității vulcanice.

Consecințele unei catastrofe de oxigen

Biosferă

Întrucât marea majoritate a organismelor din acea vreme erau anaerobe, incapabile să existe la concentrații semnificative de oxigen, s-a produs o schimbare globală a comunităților: comunitățile anaerobe au fost înlocuite cu cele aerobe, limitate anterior doar la „buzunare de oxigen”; comunitățile anaerobe, dimpotrivă, au fost împinse în „buzunare anaerobe” (în sens figurat, „biosfera s-a întors pe dos”). Ulterior, prezența oxigenului molecular în atmosferă a dus la formarea unui ecran de ozon, care a extins semnificativ limitele biosferei și a dus la răspândirea unei respirații de oxigen mai favorabile din punct de vedere energetic (comparativ cu anaeroba).