Накопление кислорода в атмосфере кратко

Обновлено: 04.07.2024

Накопление O₂ в атмосфере Земли :
1. (3,85-2,45 млрд лет назад) — O₂ не производился
2. (2,45-1,85 млрд лет назад) O₂ производился, но поглощался океаном и породами морского дна
3. (1,85-0,85 млрд лет назад) O₂ выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4. (0,85-0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление O₂ в атмосфере
5. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) современный период, содержание O₂ в атмосфере стабилизировалось

Кислородная катастрофа (кислородная революция) — глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом 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.

Содержание

Первичный состав атмосферы

Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако считается общепризнанным, 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

Одним из вероятных факторов, повлиявших на смену микробных сообществ, было изменение химического состава океана, вызванное угасанием вулканической активности.

Последствия кислородной катастрофы

Биосфера

Литосфера

В результате кислородной катастрофы практически все метаморфические и осадочные породы, составляющие большую часть земной коры, являются окисленными.

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.

Появление и накопление 02 в атмосфере связано с жизнедеятельностью зеленых растений. Ежегодно в ходе фотосинтеза кислород поступает в атмосферу в количестве 70— 120 млрд. т. Этот кислород необходим для дыхания всех гетеротрофов.

5.Озоновый экран. Еще одно важнейшее следствие выделения растениями кислорода — образование озонового экрана в верхних слоях атмосферы на высоте около 25 км.. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей (240 — 290 нм), губительно действующих на все живое.

24. С3 -путь фотосинтеза(С3-цикл)(цикл Кальвина) - этот способ ассимиляции СО2 присущ всем растениям расшифрован Мелвином Кальвином (1946 – 1956).

Цикл Кальвина можно разделить на фазы:

1) карбоксилирующий - РДФ + СО2 → 2ФГК

2) восстановительный - ФГК → ФГА

3) регенерирующий - ФГА → РДФ

Первая фаза — карбоксилирование. Эта реакция катализируется ферментом рибулозобисфосфат-карбоксилазой/ оксигеназой (РБФ-карбоксилаза/оксигеназа. Особенностью ферментаàкатализируемая им реакция является самой медленной стадией в цикле фиксации углекислоты. В активное состояние фермент переходит при освещении хлоропластов. При взаимодействии РБФ с С0₂ образуется сначала промежуточное нестойкое шестиуглеродное соединение, которое затем распадается на две молекулы ФГК (фосфоглицериновая кислота). Образовавшаяся ФГК — это органическая кислота, и ее энергетический уровень ниже уровня Сахаров. Поэтому это соединение не может непосредственно превращаться в углеводы. Необходимо превращение его в трехуглеродный сахар — фосфоглицериновый альдегид (ФГА).

Вторая фаза — восстановление. Дальнейшие превращения ФГК требуют участия продуктов световой фазы фотосинтеза: АТФ и НАДФН + Н + . Реакция идет в два этапа. 1-происходит реакция фосфорилирования 3-ФГК. Донором фосфатной группы является АТФ. АТФ требуется здесь в качестве дополнительного источника энергии. Образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Реакция катализируется ферментом фосфоглицерокиназой.

Образовавшееся соединение — дифосфоглицериновая кислота — обладает более высокой реакционной способностью, содержит макроэргическую связь, полученную от АТФ. Затем карбоксильная группировка этого соединения восстанавливается до альдегидной с помощью триозофосфатдегидрогеназы, коферментом которой служит НАДФ.

25. Фаза регенерации акцептора углерода в С-3…….Регенерирующий этап

ФГА → РДФ

Дальнейшее превращение ФГА может происходить 4 путями

Путь

ФГА частично превращается в фосфодиоксиацетон (ФДА) в клетку поступают две наипростейшие формы сахаров: альдоза и кетозатрехуглеродные сахара (триозосахара) с присоединенной к ним фосфатной группой; содержат больше химической энергии, чем ФГК. Это первые углеводы, которые образуются при фотосинтезе.

Путь

ФДА соединяется с другой молекулой ФГА и образуется молекула фруктозо-1,6-дифосфата (ФДФ)

ФДФ дефосфорилируется - превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) ф6ф может выйти из цикла и использоваться для синтеза запасных форм углеводов: сахарозы, крахмала, других полисахаридов.

Путь

ФГА может реагировать с эквимолярным количеством Ф-6-Ф, в результате образуются равные количества ксилулозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (транскетолаза) эритрозо-4-фосфат реагирует с равным количеством ФГА и образуется седогептулозо-1,7-дифосфат (альдолаза) которая дефосфорилируется до седагептулозо-7-фосфата с участием седогептулозодифосфатазы.

Путь

Реакция ФГА с седогептулозой-7-фосфат с образованием равных (эквимолярных) количеств рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата ксилулозо-5-фосфат эпимиризуется, а рибозо-5-фосфат (РФ) изомеризуется до рибулозо-5-фосфата (РбФ) РбФ фосфорилируется за счет АТФ и образуется Рб-1,5-диФ – первичное соединение цикла Кальвина (акцептор СО2). В этих реакциях тратится еще 3 молекулы АТФ.

Фотосинтез — важнейший процесс превращения энергии Солнца в энергию органических соединений, необходимых для существования всех живых организмов, населяющих нашу планету.

Известный русский учёный К. А. Тимирязев утверждал, что растения выполняют на Земле космическую роль . Он писал:

Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.

Все живые организмы на Земле живут за счёт той солнечной энергии, которая получена растениями и законсервирована в процессе фотосинтеза в углеводах и других органических веществах. Углеводы — важный продукт фотосинтеза.

У многих растений углеводы запасаются в органах в виде крахмала: в корнях, видоизменённых побегах (луковицах, клубнях, корневищах), в семенах, а также в виде сахаров (в ягодах, сочных плодах, корнеплодах сахарной свёклы, стеблях сахарного тростника). Именно углеводы используются клетками всех живых организмов в качестве основного источника энергии для жизни.

Часть поглощённой растениями энергии не расходуется и накапливается в органических веществах, входящих в состав древесины, торфа, нефти, угля, природного газа. Поэтому органические вещества — отличный энергоноситель. Люди используют их для получения тепла, которое выделяется при сгорании топлива.

В воздухе углекислого газа содержится около \(0,03\) % по объёму. Эта величина не изменяется много тысячелетий, хотя огромное количество живых существ постоянно выделяет углекислый газ при дыхании. Очень много этого газа образуется при гниении органических остатков, а также при сжигании топлива для обогрева помещений и в двигателях автомобилей. В воздух попадает углекислый газ при лесных пожарах и извержениях вулканов.

Углекислый газ поглощают и используют в фотосинтезе зелёные растения, поддерживая его содержание в воздухе на постоянном уровне.

Пока на Земле не было растений, в её атмосфере отсутствовал кислород. Современный газовый состав атмосферы сформировался благодаря процессу фотосинтеза. Сейчас в воздухе содержится \(21\) % кислорода и все живые организмы имеют возможность дышать им.

Из кислорода на высоте около \(20\) км над Землёй под влиянием солнечных лучей образуется газ озон . Слой озона окружает Землю и создаёт озоновый экран , который поглощает ультрафиолетовые лучи, опасные для всех живых организмов. Озоновый экран создаёт условия для жизни на поверхности суши.

Созданные растениями органические вещества используются другими живыми организмами (животными, грибами, бактериями). Продукты их жизнедеятельности, а также остатки этих организмов попадают в верхний слой земли, разлагаются там бактериями и создают очень важное природное образование — почву.

Почва — это продукт взаимодействия живых организмов с объектами неживой природы. Для образования почвы необходимы органические вещества, источником которых могут быть только живые организмы.

Фотосинтез — важнейший процесс на нашей планете. Он выполняет космическую функцию, запасая в зелёных растениях огромное количество энергии и поставляя в атмосферу кислород.

Важность атмосферного O₂ для биологических и геохимических процессов на Земле чрезвычайно высока. Поэтому учёные давно изучают, как изменялось содержание кислорода в истории нашей планеты. Это можно понять из расчёта парциального давления O₂ и N₂ в общем атмосферном давлении.

Несмотря на долгую историю вопроса, у специалистов до сих пор нет единого мнения об изменении атмосферного давления на протяжении последних 500 млн лет. Расчёты отличаются до 0,2 атм (см. диаграмму внизу). Даже за последние несколько миллионов лет нет ясной картины, как именно менялось атмосферное давление, парциальное давление и, следовательно, концентрация O₂.

Вопрос непростой, ведь кислород из атмосферы постоянно потребляют животные, растения и даже камни. Группа учёных из Принстонского университета прояснила этот вопрос, изучив концентрацию воздушных пузырьков в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды.

Ледяной керн с глубины 1837 м с видимыми годовыми слоями

На сегодняшний день ледяные керны — самый надёжный и точный источник данных об атмосферном давлении. Максимальный возраст льда в кернах — 800 тыс. лет, поэтому исследования ограничены этим временным интервалом.

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности, за последние 800 000 лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O₂/N₂ в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа — изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки. Нам нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать, в том числе, при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придётся повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

На Земле тоже не было кислорода в первые пару миллиардов лет. Согласно наиболее вероятной теории, примерно 2,4 млрд лет назад уровень кислорода резко подскочил благодаря активности цианобактерий, известных также как сине-зелёные водоросли. Этот период резкого изменения состава атмосферы с последующей перестройкой биосферы и глобальным гуронским оледенением в истории Земли известен как кислородная катастрофа.

Сине-зелёные водоросли — причина, по которой 2,4 млрд лет назад на Земле появился кислород в большом количестве и возникла более продвинутая жизнь

Такую же кислородную катастрофу можно устроить на Марсе.

Учёные ещё не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы. Одна из них — это происходит из-за увеличения скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода. Другая теория связана с изменением климата: за последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Пока что всё это лишь гипотезы, которые следует проверить.

В данный момент атмосфера Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,039% углекислого газа и небольшие примеси других газов. В ней также постоянно изменяется концентрация водяного пара, который считается одним из основных парниковых газов. На уровне океана концентрация H₂O в атмосфере составляет около 1%, а в среднем — около 0,4%. Общая масса атмосферы — 5,5×10 18 кг, то есть 5,5 зеттаграммов или 5,5 петатонн.

Накопление кислорода в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка. 1. 3,85-2,45 млрд лет назад. 2. 2,45-1,85 млрд лет назад: начало производства кислорода и поглощение его океаном и породами морского дна. 3. 1,85-0,85 млрд лет назад: окисление горных пород на суше. 4. 0,85-0,54 млрд лет назад: все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере. 5. 0,54 млрд лет назад — настоящее время

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.

Рис. 2. Так в общих чертах суммировались данные о кислороде на Земле согласно принятой ранее модели. В архее появились фотосинтетики, которые выделяли кислород (это оксигенный фотосинтез). За счет их деятельности океан и атмосфера местами обогащались кислородом, но их деятельность была вторичной по отношению к доминирующим анаэробным процессам. На границе архея и протерозоя (2,4–2,3 млрд лет) происходит выброс кислорода в атмосферу, уровень кислорода быстро (в геологическом масштабе) устанавливается на уровне 0,01 от современного (PAL — Present Atmosphere Level) и остается таким на протяжении всего протерозоя. Считается, что кислород уходит на окисление металлов в коре, в основном железа. В позднем протерозое (800–600 млн лет назад) уровень кислорода повышается снова, так как все железо к этому времени уже окислилось. Повышение уровня кислорода дает толчок развитию многоклеточной жизни. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

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.

Чтобы подтвердить свои предположения, Лайонз с коллегами предлагает обратить внимание на график распределения органического вещества в осадочных породах архея (рис. 3).

Рис. 3. Распределение (по оси ординат откладывается кумулятивная частота, f) валового органического углерода TOC (Total Organic Carbon) в осадочных породах архея (красная пунктирная линия) по сравнению с неогеном (черная линия). Сходство между ними трудно не заметить. Вертикальными линиями отмечены усредненные показатели содержания углерода. График из обсуждаемой статьи в Nature

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.

Рис. 4. Изотопные кривые углерода-13 (черная) и серы-33 (розовые и серые точки): эти кривые плохо соответствуют друг другу, их основные осцилляции приходятся на разные времена. На кривой изотопов серы хорошо виден переход от масс-независимого фракционирования к масс-зависимому. На изотопной кривой углерода хорошо видны резкие флуктуации в раннем и позднем протерозое. График из обсуждаемой статьи в Nature

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.

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.

Рис. 5. Примерно так представляется распределение в океане кислорода, двухвалентного железа и сероводорода в архее и протерозое. В архее (слева) было низкое содержание кислорода во всем океане, в фотической мелководной зоне развивалась жизнь, повышая содержание сероводорода и окисляя железо. В раннем протерозое (в центре) развитие жизни и повышение тем или иным способом содержания кислорода в поверхностных слоях привело к развитию мелководного сероводородного слоя, и к концентрации двухвалентного железа. В глубоких слоях океана ничего не изменилось. В позднем протерозое (справа) происходит оксигенизация глубоких вод, двухвалентное железо становится экзотикой во всех слоях океана. Схемы из обсуждаемой статьи в Nature

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.

Рис. 6. Современные представления об истории кислорода на Земле. См. пояснения в тексте. Схема из обсуждаемой статьи в Nature

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.

Источник: T. W. Lyons, C. T. Reinhard & N. J. Planavsky. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere // Nature. 2014. V. 506. P. 307–315.

Читайте также: