Оксигенация атмосферы как фактор эволюции жизни. Кислородная катастрофа – источник жизни. Жизнь и кислород

После первого скачка кислорода в земной атмосфере его уровень сильно упал, так что эволюции пришлось подождать больше миллиарда лет, чтобы начать создавать новые, «кислородные» формы жизни.

Миллиарды лет назад в атмосфере Земли не было никакого кислорода, и создавать его никто не умел - жившие в ту пору бактерии и архебактерии, хотя и были фотосинтетиками, кислород при этом не выделяли. Но где-то 2,3 млрд лет назад случилось то, что называют кислородной катастрофой. Произошла она из-за того, что цианобактерии научились кислородному фотосинтезу. С тех пор Земля, как говорится, уже никогда не была прежней, потому что на ней радикально изменилась атмосфера, и те организмы, которые хорошо чувствовали себя в бескислородной атмосфере, были вынуждены уйти в подполье, уступив «кислородным» формам жизни.

Однако, несмотря на перемены в составе атмосферы, жизнь на Земле развиваться не спешила. Разнообразие и сложность живых организмов ждали второго кислородного скачка, который случился 800 млн лет назад. При этом считается, что уровень кислорода в этот период, если и не рос, то оставался постоянным и достаточно высоким. Но если всё было так, то почему эволюция взяла такой большой таймаут? По одной из гипотез, задержка была вызвана малой доступностью микроэлементов, необходимых для работы ферментов, и лишь вследствие дальнейших геохимических процессов эти микроэлементы стали доступны живым клеткам. По другой версии, такой долгий промежуток времени потребовался организмам, чтобы создать и отрегулировать молекулярно-генетические механизмы, позволяющие существовать в новых условиях. Однако, по мнению Ноа Плаванаски (Noah J. Planavsky ) и его коллег из Калифорнийского университета в Риверсайде, никаких убедительных доказательств таким гипотезам нет. Зато есть доказательства для другого сценария, который исследователи описывают в своей статье в Nature .

Ранее выводы о составе древней атмосферы основывались на данных химического анализа осадочных пород, соответствующих периоду кислородной катастрофы. В результате выходило, что уровень кислорода в период между первым кислородным взрывом и вторым (то есть между 2,3 млрд и 800 млн лет назад) составлял примерно 40% от нынешнего, то есть довольно таки много. Однако эти способы анализа не позволяли увидеть возможных колебаний в содержании кислорода. Чтобы обнаружить такие колебания, исследователи решили оценить, с какой интенсивностью в те времена происходило перемещение с суши в океан изотопов хрома. Попадание хрома в океан возможно только в составе водорастворимых соединений шестивалентного хрома, а превращение трехвалентного хрома в шестивалентый зависит от содержания кислорода в атмосфере. При этом тяжёлый изотоп 53 Cr активнее взаимодействует с кислородом, чем 52 Cr, так что по их соотношению можно увидеть колебания уровня кислорода, имевшие место в древнейшие эпохи. В океане хром реагирует с железом и оседает в железных рудах.

Оказалось, что на протяжении загадочного периода «молчащей эволюции» содержание кислорода в атмосфере было на самом деле весьма невелико - всего 0,1% от нынешней его концентрации. То есть уровень кислорода сильно просел почти сразу же после первого резкого его повышения, случившегося 2,3 млрд лет назад. И следующий значительный скачок кислорода случился уже как раз 800 млн лет назад. То есть у жизни на Земле были все причины оставаться в относительной спячке. Коротко о результатах работы пишет NatureNews .

Конечно, это исследование только констатирует факт того, что уровень кислорода упал после первого скачка вверх. Почему именно он упал, куда делся кислород из атмосферы на целый миллиард лет, мы пока можем только гадать. С другой стороны, нужно помнить, что даже после второго кислородного скачка эволюционный двигатель не сразу заработал в полную силу, и потребовалось ещё 260 млн лет, чтобы произошёл кембрийский взрыв, когда за короткое время образовалось огромное множество новых форм жизни. Возможно, в период перед кембрийским взрывом как раз и происходили окончательные молекулярно-генетические изменения, позволяющие организмам использовать все преимущества кислородной атмосферы.

В ранних океанах и даже в атмосфере молодой Земли не было свободного кислорода, хотя за счет фотосинтеза цианобактерии и продуцировали его как побочный продукт метаболизма. Свободный кислород не вступает во взаимодействие с другими распространенными на планете элементами, такими как азот или углерод, а вот человеку он жизненно необходим. Ученые подсчитали, что небольшие «карманы» свободного кислорода начали появляться на Земле примерно три миллиарда лет назад, а около 2,4 миллиардов лет назад уровень кислорода в атмосфере резко увеличился: за 200 миллионов лет кислорода стало больше в 10 000 раз! Это событие исследователи окрестили Кислородной катастрофой (Great Oxidation Event , букв. Великое окисление) и именно оно полностью изменило характер поверхностных химических реакций Земли.

Кислородная революция: преобразившаяся Земля

Геолог из Университета Британской Колумбии Мэттис Смит (Matthijs Smit) и его коллега, профессор Клаус Мезгер (Klaus Mezger) из Университета Берна, посвятили новую работу исследованию этого феномена. Зная, что Кислородная катастрофа также трансформировала и породы, из которых состоят континенты, ученые начали изучать результаты геохимического анализа вулканической активности по всему миру, что в конечном итоге позволило им отобрать 48 000 образцов, возраст которых исчисляется миллиардами лет.

В своем пресс-релизе Смит отмечает, что с того момента, как в океане начал появляться свободный кислород, в составе континентов произошли ошеломляющие изменения. Горные породы на территории современной Исландии и Фарерских островов по составу примерно похожи на те, что были на молодой Земле до Кислородной катастрофы: они богаты магнием, а вот содержание кремнезема в них довольно низкое. Породы прошлого содержали минеральный оливин , который инициировал кислородные химические реакции при контакте с водой. По мере того, как континентальная кора развивалась и увеличивалась в размерах, оливин практически исчез, а с ним прекратились и реакции. Кислород начал накапливаться в океанах, а когда вода насытилась им, то газ стал уходить и в атмосферу.

Смит уверен, что именно это и стало отправной точкой для развития жизненных форм такими, какими мы их знаем сегодня. После насыщения кислородом Земля стала не только более пригодной для жизни в целом, но и куда лучше подходящей для развития сложных организмов. Причина изменений континентальной структуры пока остается неизвестной, но ученые отмечают, что тектоника плит началась примерно в этот период, а потому между этими событиями может быть прямая связь.

Значение открытия

Речь не идет об эволюции и абиогенезе — вопросы изначального зарождения жизни на Земле все еще остаются открытыми. Однако кислород — важнейший элемент, обеспечивший существование белковой жизни. Зная, как он изменил Землю, ученые смогут применить тот же принцип в исследовании экзопланет и в будущем выбрать для человечества идеальную планету для заселения: к примеру, уже сейчас астрономы подозревают, что две планеты в системе TRAPPIST-1 покрыты огромными океанами . Зная, как кислород влияет на формирование континентов, можно будет значительно сузить круг поисков и целенаправленно искать максимально подходящий нам новый мир.

Кислородная катастрофа – глобальное изменение состава атмфосферы Земли, которое произошло около 2,4 млрд лет назад, в начале протерозойской эры, и результатом которого стало появление в атмосфере свободного кислорода. 8 тот период характер атмосферы изменился г восстановительного на окислительный. Теория кислородной катастрофы возникла на основе данных
В первичной атмосфере Земли наконец появились молекулы свободного кислорода, а сама она поменяла свой характер с восстановительного на окислительный. За неполных 200 млн лет концентрация кислорода в протерозойской атмосфере выросла в 15 раз.
Предположение о кислородной катастрофе было сделано на основе изучения резкого изменения характера осадконакопления. С биологической точки зрения необходимым уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере считается так называемая точка Пастера, то есть около 0,01 от количества кислорода в современной атмосфере. Дело в том, что только при таком атмосферном состоянии живые организмы могут перейти от использования результатов процессов ферментативного брожения к энергетически более эффективному окислению во время дыхания. В протерозойскую эру была не только достигнута точка Пастера, но и значительно преодолен этот своеобразный биологический барьер, что способствовало настоящему эволюционному взрыву – массовому распространению и развитию практически всех типов живых существ на нашей планете.
Благодаря появлению значительных объемов кислорода, в атмосфере и гидросфере Земли была обеспечена устойчивая жизнедеятельность одноклеточных аэробных организмов, которые до этого могли развиваться только в так называемых кислородных карманах. Почему же содержание кислорода в атмосфере протерозойской эры так резко выросло? Не секрет, что главным поставщиком его были фотосинтезирующие растения и бактерии, которые возникли еще в архейскую эру. Хотя вначале объем выработанного ими кислорода в атмосфере и гидросфере планеты практически не рос, он сразу расходовался на окисление горных пород, растворенных соединений и газов атмосферы. Когда все поверхностные породы и газы земной атмосферы оказались окисленными, кислород постепенно начал накапливаться уже в свободном виде. В протерозойский этап истории Земли концентрация кислорода в результате жизнедеятельности бактерий в конце концов превысила 1 % от современного состояния. Содержание углекислого газа постепенно снижалось вследствие затрат углекислоты в процессе фотосинтеза водорослей.
Итак, кислородная катастрофа имела огромные последствия для эволюции живых существ. Атмосфера и гидросфера нашей планеты состоят из легких и летучих веществ, содержание которых на Земле меньше, чем в космическом пространстве. При формировании Земли эти летучие соединения находились в составе твердых веществ, в частности азот – в нитридах, кислород – в окислах металлов.

В процессе активной вулканической деятельности еще в догеологический период истории Земли происходило выплавление базальтов, пара и газов из верхней мантии. Как показали исследования, современные вулканы выделяют преимущественно водяной пар, а также углекислый газ, хлор, метан и другие компоненты. Но при более высоких температурах помимо пара в атмосферу выбрасываются так называемые кислые дымы – соединения серы, борная кислота и соли аммония. По всей видимости, первичная атмосфера Земли сформировалась именно в результате дегазации мантии, а ее основу составили углекислый газ, сероводород, аммиак и метан.
Чтобы оценить изменения, которые произошли с атмосферой и гидросферой Голубой планеты в эпоху протерозоя, необходимо вернуться к составу первичной атмосферы. Изучение содержимого газовых пузырьков в древнейших архейских кварцитах Курумканской свиты Алданского щита позволило ученым уточнить состав первичной атмосферы Земли.
В этих пузырьках совершенно отсутствует свободный кислород, в их составе 60 % занимает углекислый газ и примерно 35 % – сероводород, оксид серы, аммиак и кислые дымы. Очевидно, что эти компоненты поступали на поверхность Земли при дегазации лав и, таким образом, составили ее первичную, чрезвычайно тонкую оболочку. Температура такой атмосферы у поверхности планеты в среднем составляла 15 °С. Водяные пары вулканических газов конденсировались и превращались в жидкую воду. Так формировалась гидросфера Земли. На планете начал образовываться первичный океан, куда переходили, растворяясь в воде, составные части вулканических газов.В догеологический и архейский этапы истории планеты воды в океанах было еще недостаточно, чтобы покрывать срединно-океанские хребты. Только в протерозое уровень океана наконец достиг их вершин.
Кроме атмосферных вулканических газов, способных растворяться в воде, состав первичного океана пополнялся за счет горных пород, подвергавшихся на поверхности суши и на дне моря разрушающему воздействию солнечного излучения и эрозии.
Как появился в атмосфере и гидросфере Земли кислород? Считается, что его молекулы могли образовываться после разложения небольшой доли молекул водяного пара под действием жесткой компоненты солнечного излучения. Тем не менее объемы выделявшегося в процессе этой реакции кислорода должны были быть очень незначительными, так как газ сам поглощал ультрафиолетовое излучение, расщепляющее молекулы воды.
Таким образом, содержание необходимого для жизни химического элемента в атмосфере архея было минимальным – гораздо меньше одной тысячной процента современного уровня. При этом практически все формировавшиеся его молекулы быстро затрачивались на окисление атмосферных газов. Тонкая первичная атмосфера в отсутствие кислорода не могла защитить планету от жесткого излучения Солнца, что определяло биологическое разнообразие Земли.
К началу протерозоя количество воды на Земле продолжало увеличиваться – образовался единый Мировой океан. Но при этом отмечалось резкое уменьшение концентрации диоксида углерода в раннепротерозойской атмосфере. Содержание же кислорода в атмосфере и гидросфере планеты продолжало оставаться крайне низким – всего 1 % от сегодняшнего уровня.
Предполагается, что в этот период в мантии Земли еще сохранялось 4-6 % металлического железа, игравшего роль мощного поглотителя кислорода. Этот трехвалентный химический элемент, нерастворимый в воде, под действием кислорода выпадал в осадок и накапливался вместе с кремнеземом в огромных залежах железных руд, известных нам сегодня. Таким образом, в раннем протерозое атмосфера нашей планеты в основном состояла только из азота с небольшими добавками водяного пара, аргона, диоксида углерода и кислорода. Важнейшим событием в протерозое стала кислородная катастрофа. Под этим названием в историю Земли вошло революционное событие, произошедшее 2,4 млрд лет назад. Атмосфера нашей планеты в это время масштабно наполняется кислородом.

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) все горные породы на суше окислены, начинается накопление O 2 в атмосфере
5 . (0,54 млрд лет назад - по настоящее время) современный период, содержание O 2 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.

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

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, 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.

Литосфера

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

Примечания

Ссылки

• - Nature 458, 750-753 (09.04.2009) (англ.)
• - CNews, 03.08.2010
• Наймарк, Елена . elementy.ru (2.03.14). .

Катастрофы

Это заготовка статьи о катастрофе . Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Просмотр этого шаблона Эволюционные процессы Факторы эволюции Генетика популяций Происхождение жизни Исторические концепции Современные теории Эволюция таксонов

Отрывок, характеризующий Кислородная катастрофа

Катары.
Эсклармонд тихо лежала на кровати. Её глаза были закрыты, казалось, она спала, измученная потерями... Но я чувствовала – это была всего лишь защита. Она просто хотела остаться одна со своей печалью... Её сердце бесконечно страдало. Тело отказывалось повиноваться... Всего лишь какие-то считанные мгновения назад её руки держали новорождённого сынишку... Обнимали мужа… Теперь же они ушли в неизвестность. И никто не мог с уверенностью сказать, удастся ли им уйти от ненависти «охотников», заполонивших подножье Монтсегюра. Да и всю долину, сколько охватывал глаз... Крепость была последним оплотом Катар, после неё уже ничего не оставалось. Они потерпели полное поражение... Измученные голодом и зимними холодами, они были беспомощны против каменного «дождя» катапульт, с утра до ночи сыпавшихся на Монтсегюр.

– Скажи, Север, почему Совершенные не защищались? Ведь, насколько мне известно, никто лучше них не владел «движением» (думаю, имеется в виду телекинез), «дуновением» и ещё очень многим другим. Почему они сдались?!
– На это есть свои причины, Изидора. В самые первые нападения крестоносцев Катары ещё не сдавались. Но после полного уничтожения городов Алби, Безье, Минервы и Лавура, в которых погибли тысячи мирных жителей, церковь придумала ход, который просто не мог не сработать. Перед тем, как напасть, они объявляли Совершенным, что если они сдадутся, то не будет тронут ни один человек. И, конечно же, Катары сдавались... С того дня начали полыхать по всей Окситании костры Совершенных. Людей, посвятивших всю свою жизнь Знанию, Свету и Добру, сжигали, как мусор, превращая красавицу Окситанию в выжженную кострами пустыню.
Смотри, Изидора... Смотри, если желаешь увидеть правду...
Меня объял настоящий священный ужас!.. Ибо то, что показывал мне Север, не вмещалось в рамки нормального человеческого понимания!.. Это было Пекло, если оно когда-либо по-настоящему где-то существовало...
Тысячи облачённых в сверкающие доспехи рыцарей-убийц хладнокровно вырезали мечущихся в ужасе людей – женщин, стариков, детей... Всех, кто попадал под сильные удары верных прислужников «всепрощающей» католической церкви... Молодые мужчины, пытавшиеся сопротивляться, тут же падали замертво, зарубленные длинными рыцарскими мечами. Повсюду звучали душераздирающие крики... звон мечей оглушал. Стоял удушающий запах дыма, человеческой крови и смерти. Рыцари беспощадно рубили всех: был ли то новорождённый младенец, которого, умоляя о пощаде, протягивала несчастная мать... или был немощный старик... Все они тут же нещадно зарубались насмерть... именем Христа!!! Это было святотатством. Это было настолько дико, что у меня на голове по-настоящему шевелились волосы. Я дрожала всем телом, не в состоянии принять или просто осмыслить происходящее. Очень хотелось верить, что это сон! Что такого в реальности быть не могло! Но, к сожалению, это всё же была реальность...
КАК могли они объяснить совершающееся зверство?!! КАК могла римская церковь ПРОЩАТЬ (???) совершающим такое страшное преступление?!
Ещё перед началом Альбигойского крестового похода, в 1199 году, Папа Инокентий III «милостиво» заявил: «Любой, исповедующий веру в бога, не совпадающую с церковной догмой, должен быть сожжён без малейшего на то сожаления». Крестовый поход на Катар назывался «За дело мира и веру»! (Negotium Pacis et Fidei)...
Прямо у алтаря, красивый молодой рыцарь пытался размозжить череп пожилому мужчине... Человек не умирал, его череп не поддавался. Молодой рыцарь спокойно и методично продолжал лупить, пока человек наконец-то последний раз не дёрнулся и не затих – его толстый череп, не выдержав, раскололся...
Объятая ужасом юная мать, в мольбе протянула ребёнка – через секунду, у неё в руках остались две ровные половинки...
Маленькая кудрявая девчушка, плача с перепугу, отдавала рыцарю свою куклу – самое дорогое своё сокровище... Голова куклы легко слетела, а за ней мячиком покатилась по полу и голова хозяйки...
Не выдержав более, горько рыдая, я рухнула на колени... Были ли это ЛЮДИ?! КАК можно было назвать вершившего такое зло человека?!
Я не хотела смотреть это дальше!.. У меня больше не оставалось сил... Но Север безжалостно продолжал показывать какие-то города, с полыхавшими в них церквями... Эти города были совершенно пустыми, не считая тысяч трупов, брошенных прямо на улицах, и разлившихся рек человеческой крови, утопая в которой пировали волки... Ужас и боль сковали меня, не давая хоть на минуту вдохнуть. Не позволяя шевельнуться...

Что же должны были чувствовать «люди», отдававшие подобные приказы??? Думаю, они не чувствовали ничего вообще, ибо черным-черны были их уродливые, чёрствые души.

Вдруг я увидела очень красивый замок, стены которого были местами повреждены катапультами, но в основном замок оставался целым. Весь внутренний двор был валом завален трупами людей, утопавших в лужах собственной и чужой крови. У всех было перерезано горло...