Як сформувалася киснева атмосфера ґрунту. Причини кисневої катастрофи

Помітне збільшення вмісту вільного кисню в атмосфері Землі 2400000000 років тому, мабуть, стало результатом дуже швидкого переходу від одного рівноважного стану до іншого. Перший рівень відповідав вкрай низькій концентрації Про 2 - приблизно в 100 000 разів нижче за ту, що спостерігається зараз. Другий рівноважний рівень міг бути досягнутий при вищій концентрації, що становить не менше 0,005 від сучасної. Зміст кисню між цими двома рівнями характеризується крайньої нестійкістю. Наявність подібної «бістабільності» дозволяє зрозуміти, чому в атмосфері Землі було так мало вільного кисню протягом принаймні 300 млн років після того, як його почали виробляти ціанобактерії (синьо-зелені «водорості»).

В даний час атмосфера Землі на 20% складається з вільного кисню, який є не що інше як побічний продукт фотосинтезу ціанобактерій, водоростей та вищих рослин. Дуже багато кисню виділяється тропічними лісами, які у популярних виданнях нерідко називають легкими планети. При цьому, щоправда, замовчується, що за рік тропічні ліси споживають майже стільки ж кисню, скільки утворюють. Витрачається він на дихання організмів, що розкладають готову органічну речовину, - насамперед бактерій та грибів. Для того, щоб кисень почав накопичуватися в атмосфері, хоча б частина утвореної в ході фотосинтезу речовини має бути виведена з круговороту- наприклад, потрапити в донні відкладення та стати недоступною для бактерій, що розкладають його аеробно, тобто із споживанням кисню.

Сумарну реакцію оксигенного (тобто «що дає кисень») фотосинтезу можна записати як:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH 2 O) + O 2 ,
де hν- енергія сонячного світла, а (CH 2 O) – узагальнена формула органічної речовини. Дихання ж - це зворотний процес, який можна записати як:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
При цьому вивільнятиметься необхідна для організмів енергія. Однак аеробне дихання можливе лише при концентрації O 2 не менше 0,01 від сучасного рівня (так звана точка Пастера). В анаеробних умовах органічна речовина розкладається шляхом бродіння, а на завершальних стадіях цього процесу нерідко утворюється метан. Наприклад, узагальнене рівняння метаногенезу через утворення ацетату виглядає як:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 .
Якщо комбінувати процес фотосинтезу з наступним розкладанням органічної речовини в анаеробних умовах, то сумарне рівняння матиме вигляд:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2 .
Саме такий шлях розкладання органічної речовини, мабуть, був основним у давній біосфері.

Багато важливих деталей того, як встановилася сучасна рівновага між надходженням кисню в атмосферу та її вилученням, залишаються нез'ясованими. Адже помітне збільшення вмісту кисню, так зване «Велике окислення атмосфери» (Great Oxidation), відбулося лише 2,4 млрд років тому, хоча точно відомо, що цианобактерії, що здійснюють оксигенний фотосинтез, були вже досить численні й активні 2,7 млрд років тому, а виникли вони ще раніше – можливо, 3 млрд років тому. Таким чином, протягом принаймні 300 мільйонів років діяльність ціанобактерій не призводила до збільшення вмісту кисню в атмосфері.

Припущення про те, що через якісь причини раптом відбулося радикальне збільшення чистої первинної продукції (тобто приросту органічної речовини, утвореної під час фотосинтезу ціанобактерій), критики не витримало. Справа в тому, що при фотосинтезі переважно споживається легкий ізотоп вуглецю 12 С, а в навколишньому середовищізростає відносний вміст важчого ізотопу 13 С. Відповідно, донні відкладення, що містять органічну речовину, повинні бути збіднені ізотопом 13 С, який накопичується у воді і йде на утворення карбонатів. Однак співвідношення 12 і 13 С в карбонатах і в органічній речовинівідкладень залишається незмінним попри радикальні зміни у концентрації кисню у атмосфері. Отже, вся справа над джерелі Про 2 , а його, як виражаються геохіміки, «стоку» (вилученні з атмосфери), який раптом істотно скоротився, що й призвело до істотного збільшення кількості кисню у атмосфері.

Зазвичай вважається, що безпосередньо до «Великого окислення атмосфери» весь кисень, що утворився тоді, витрачався на окислення відновлених сполук заліза (а потім сірки), яких на поверхні Землі було досить багато. Зокрема тоді утворилися так звані «смугасті залізні руди». Але нещодавно Колін Гольдблатт, аспірант Школи наук про навколишнє середовище при Університеті Східної Англії (Норвіч, Великобританія), спільно з двома колегами з того ж університету дійшли висновку про те, що вміст кисню в земній атмосферіможе бути в одному з двох рівноважних станів: його може бути дуже мало - приблизно в 100 тисяч разів менше, ніж зараз, або вже досить багато (хоча з позиції сучасного спостерігача мало) - не менше, ніж 0,005 від сучасного рівня.

У запропонованій моделі вони врахували надходження в атмосферу як кисню, так і відновлених сполук, зокрема, звернувши увагу на співвідношення вільного кисню та метану. Вони зазначили, що якщо концентрація кисню перевищує 0,0002 від сучасного рівня, то частина метану вже може окислюватися метанотрофами бактеріями відповідно до реакції:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Але решта метану (а його досить багато, особливо при низькій концентрації кисню) надходить в атмосферу.

Вся система перебуває у нерівноважному стані з погляду термодинаміки. Основний механізм відновлення порушеної рівноваги - окислення метану у верхніх шарах атмосфери гідроксильним радикалом (див. Коливання метану в атмосфері: людина або природа - хто кого, «Елементи», 06.10.2006). Гідроксильний радикал, як відомо, утворюється в атмосфері під дією ультрафіолетового випромінювання. Але якщо кисню в атмосфері багато (щонайменше 0,005 від сучасного рівня), то у верхніх її шарах утворюється озоновий екран, який добре захищає Землю від жорстких ультрафіолетових променів і водночас заважає фізико-хімічному окисленню метану.

Автори приходять до дещо парадоксального висновку про те, що саме собою існування оксигенного фотосинтезу не є достатньою умовою ні для того, щоб сформувалася багата киснем атмосфера, ні для того, щоб виник озоновий екран. Цю обставину слід враховувати в тих випадках, коли ми намагаємося знайти ознаки існування життя на інших планетах, ґрунтуючись на результатах обстеження їхньої атмосфери.

Формування атмосфери. Сьогодні атмосфера Землі є сумішшю газів - 78% азоту, 21% кисню і невеликої кількості інших газів,- наприклад, двоокису вуглецю. Але коли планета тільки виникла, в атмосфері не було кисню - вона складалася з газів, які спочатку існували в Сонячній системі.

Земля виникла, коли невеликі кам'яні тіла, що складаються з пилу та газу сонячної туманності і відомі як планетоїди, стикалися один з одним і поступово набували форми планети. У міру її зростання гази, ув'язнені в планетоїдах, виривалися назовні і огортали земну кулю. Через деякий час перші рослини почали виділяти кисень, і первозданна атмосфера розвинулася в щільну повітряну оболонку.

Зародження атмосфери

Дощ із дрібних планетоїдів обрушився на Землю, що зароджується, 4,6 мільярда років тому. Гази сонячної туманності, укладені всередині планети, при зіткненні вирвалися назовні і утворили примітивну атмосферу Землі, що складається з азоту, двоокису вуглецю та водяної пари.
Тепло, що виділяється при освіті планети, утримується шаром щільних хмар первозданної атмосфери. «Парникові гази» – такі, як двоокис вуглецю та водяна пара – зупиняють випромінювання тепла в космос. Поверхня Землі залита вируючим морем розплавленої магми.
Коли зіткнення планетоїдів стали такими частими, Земля почала охолоджуватися і з'явилися океани. Водяна пара конденсується з густих хмар, і дощ, що триває кілька епох, поступово заливає низовини. У такий спосіб з'являються перші моря.
Повітря очищається в міру того, як водяна пара конденсується та утворює океани. Згодом у яких розчиняється двоокис вуглецю, й у атмосфері тепер переважає азот. Через відсутність кисню не утворюється захисний озоновий шар, і ультрафіолетові сонячні промені безперешкодно досягають земної поверхні.
Життя з'являється у древніх океанах протягом першого мільярда років. Найпростіші синьо-зелені водорості захищені від ультрафіолету морською водою. Вони використовують для виробництва енергії сонячне світлоі двоокис вуглецю, при цьому як побічний продукт виділяється кисень, який починає поступово накопичуватися в атмосфері.
Мільярди років по тому формується багата киснем атмосфера. Фотохімічні реакції у верхніх атмосферних шарах створюють тонкий шар озону, який розсіює шкідливе ультрафіолетове світло. Тепер життя може вийти із океанів на сушу, де в результаті еволюції виникає безліч складних організмів.

Мільярди років тому товстий шар примітивних водоростей почав виділяти в атмосферу кисень. Вони збереглися до сьогодні у вигляді скам'янілостей, які називаються строматолітами.

Вулканічне походження

1. Давня, безповітряна Земля. 2. Виверження газів.

Згідно з цією теорією, на поверхні юної планети Земля активно вивергалися вулкани. Рання атмосфера, ймовірно, сформувалася тоді, коли гази, ув'язнені в кремнієвій оболонці планети, вирвалися назовні через сопла вулканів.

Накопичення O 2 в атмосфері Землі:
1 . (3,85-2,45 млрд років тому) - O 2 не вироблявся
2 . (2,45-1,85 млрд років тому) O 2 вироблявся, але поглинався океаном і породами морського дна
3 . (1,85-0,85 млрд років тому) O 2 виходить з океану, але витрачається при окисленні гірських порід на суші та при утворенні озонового шару
4 . (0,85-0,54 млрд років тому) всі гірські породи на суші окислені, починається накопичення O 2 в атмосфері
5 . (0,54 млрд років тому - по теперішній час) сучасний період, вміст O 2 в атмосфері стабілізувався

Киснева катастрофа(киснева революція) - глобальна зміна складу атмосфери Землі, що відбулася на початку протерозою, близько 2,4 млрд років тому (період сидерій). Результатом Кисневої катастрофи стала поява у складі атмосфери вільного кисню та зміна загального характеруатмосфери з відновлювального на окисний. Припущення про кисневу катастрофу було зроблено на основі вивчення різкої зміни характеру накопичення опадів.

Первинний склад атмосфери

Точний склад первинної атмосфери Землі на сьогоднішній день невідомий, проте вважається загальновизнаним, що вона сформувалася внаслідок дегазації мантії та мала відновлювальний характер. Основу її становили вуглекислий газ, сірководень, аміак, метан. На користь цього свідчать:

неокислені відкладення, що утворилися на поверхні (наприклад, річкова галька з нестійкого до кисню піриту);
відсутність відомих значних джерел кисню та інших окислювачів;
Вивчення потенційних джерел первинної атмосфери (вулканічні гази, склад інших небесних тіл).

Причини кисневої катастрофи

Єдиним значним джерелом молекулярного кисню є біосфера, точніше, фотосинтезуючі організми. З'явившись на початку існування біосфери, фотосинтезуючі архебактерії виробляли кисень, який практично відразу витрачався на окислення гірських порід, розчинених сполук і газів атмосфери. Висока концентрація створювалася лише локально, не більше бактеріальних матів (т. зв. «кисневі кишені»). Після того, як поверхневі породи та гази атмосфери виявилися окисленими, кисень почав накопичуватися в атмосфері у вільному вигляді.

Одним із ймовірних факторів, що вплинули на зміну мікробних спільнот, була зміна хімічного складуокеану, спричинене згасанням вулканічної активності.

Наслідки кисневої катастрофи

Біосфера

Оскільки переважна частина організмів того часу була анаеробною, нездатною існувати при значних концентраціях кисню, відбулася глобальна зміна угруповань: анаеробні спільноти змінилися аеробними, обмеженими раніше лише «кисневими кишенями»; анаеробні ж спільноти, навпаки, виявилися відтіснені в «анаеробні кишені» (образно кажучи, «біосфера вивернулася навиворіт»). Надалі наявність молекулярного кисню в атмосфері призвело до формування озонового екрану, що істотно розширив межі біосфери і призвело до поширення більш енергетично вигідного (порівняно з анаеробним) кисневого дихання.