Профессор Роберт Фрей из Копенгагенского университета вместе с коллегами из Дании, Великобритании и Уругвая разработали новую методику изучения геологического прошлого планеты, сообщает журнал Nature. Для этого они проследили за состоянием атмосферы Земли за последние 3,8 млрд. лет. А особенно — за кислородом. Поскольку его количество постоянно менялось, то это оказывало огромное влияние на развитие жизни. К примеру, увеличение концентрации кислорода в атмосфере приводит к окислению хрома в горных породах Земли. И вот по этим «зарубкам» исследователи и решили точно выяснить, когда на нашей планете стали жить первые организмы и какими они были.

Хронология появления кислорода известна. Напомним вехи. 4 миллиарда лет назад в земной атмосфере практически не было кислорода. Землю окутывал метан. И только 2,5 млрд. лет назад уровень кислорода повысился до 10% от современного. А спустя 780 млн. лет его стало ровно столько, сколько сейчас. То есть сегодня наш воздух состоит на 21% из кислорода и на 78% из азота. Остальное — гелий, аргон, неон, метан и углекислый газ.


Таким образом, отсчитав хронологию и количество газов в воздухе, ученые выяснили, что первые простейшие бактерии, способные к фотосинтезу, появились за 300 млн. лет до кислородной катастрофы — резкого повышения концентрации кислорода в атмосфере Земли в начале протерозоя. Эти уникальные микробы могли каким-то образом легко обходиться без жизненно важного для современных организмов газа.

Авторам исследования также удалось выяснить, что первоначальное накопление кислорода в атмосфере проходило постепенно и началось задолго до кислородной катастрофы, еще 2,8-2,6 млрд. лет назад — гораздо раньше, чем было принято считать. И еще один факт поразил ученых: через 500 млн. лет после катастрофы уровень кислорода упал до ничтожно малого, а затем вырос до современных значений. Причину этого феномена пока не ясна.

Но точно было установлено, что современная концентрация кислорода в воздухе и количество растворенного газа в океанах достигли нынешнего уровня примерно 580 млн. лет назад. И после этого началась настоящая жизнь на нашей планете.

— Мы не спешим с выводами, поскольку еще многого не знаем, — говорит Курт Конхаузер из Университета Альберты (Канада). — Но если представленные данные верны, нам придется пересмотреть свои представления об условиях окружающей среды, сложившихся 1,9 млрд. лет назад.

Источник: www.kp.ru

Первичный состав атмосферы

Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако, как правило, учёные считают, 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 (

    Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы. Фотосинтез, видимо, появился на заре существования биосферы (3,7—3,8 млрд лет назад), однако архебактерии и большинство групп бактерий практиковали аноксигенный фотосинтез, при котором не вырабатывается кислород. Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7—2,8 млрд лет назад[1]. Выделяющийся кислород 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.

    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.

    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.

    Альтернативная датировка

    В октябре 2015 года геохимики из Висконсинского университета в Мадисоне на основе изучения образца яшмы из ЮАР, датированного 3,4—3,23 миллиардами лет, выдвинули предположение о начале кислородной катастрофы на 830 миллионов лет ранее[2][3].

    Критика концепции кислородной катастрофы

    iv>

    В настоящее время сам феномен кислородной катастрофы (заключающийся в том, что начало деятельности фотосинтетических организмов, связанное с этим накопление кислорода и превращение условий на поверхности планеты из восстановительных в окислительные) подвергается серьёзной критике. Установлено, что фотосинтетические организмы-продуценты кислорода появились ещё в начале архея, но свободный кислород в атмосфере Земли на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма и это был постепенный и растянутый во времени процесс, но никак не единомоментное событие. Накопление органического углерода, отражающее жизнедеятельность древних организмов-фотосинтетиков, в архее проходило на практически таком же уровне, как и в последующие геологические эпохи. Но образовывавшийся на протяжении всего архея кислород не накапливался в атмосфере, а быстро расходовался на окисление каких-то продуктов. Этими продуктами были, вероятно, вулканические газы (сероводород, сернистый газ, метан и водород) и соединения двухвалентного железа (Fe2+). Изменения в характере вулканизма в конце архейской эры, связанные с формированием и стабилизацией континентальных плит, уменьшили поступление этих газов в атмосферу древней Земли и кислород, в итоге, стал накапливаться.


    на протяжении большей части следующего за археем протерозоя уровень кислорода в земной атмосфере не повышался и, в целом, оставался низким (временами испытывая даже резкие снижения). И лишь в конце протерозоя, по неизвестным причинам, происходит второй кислородный скачок, с которым связывается появление многоклеточных организмов. По одной из версий, новый рост содержания кислорода в биосфере в конце протерозойской эры был вызван тем, что планктонные организмы-обитатели гидросферы приобрели способность осаждать органику (образующуюся при отмирании живых организмов) из толщи воды на дно (т. н. пеллетная транспортировка). И, тем самым, выводить её из биологического круговорота. Тем самым значительная часть кислорода, тратившаяся на окисление мертвого органического вещества до углекислого газа и воды, высвободилась и, в итоге, кислород стал накапливаться.

    Все это вместе говорит о том, что «Великое кислородное событие» следует рассматривать как сильно растянутый во времени процесс, продолжительностью не менее 1,5 млрд лет, имевший два выраженных скачка ( около 2,5 млрд и 0,8—0,9 млрд лет назад) и, как минимум, одно падение (около 2,1 млрд лет назад) в содержании атмосферного кислорода. И все эти события являлись, преимущественно, результатом изменений вулканических процессов и геохимических соотношений, а не сдвигов биологической активности и метаболизма.

    Интересной особенностью кислородных скачков являются наступавшие вслед за ними глобальные оледенения (Гуронское оледенение и Криогений).

    >
    к предполагается, Гуронское оледенение было вызвано снижением содержания метана в атмосфере вследствие уменьшения его выбросов при вулканической деятельности на фоне дополнительного его окисления появившимся в атмосфере кислородом. Наступление же Криогения было вызвано, как предполагается, распадом древнего суперконтинента Родинии, что привело к падению содержания в атмосфере углекислого газа (в ходе распада, по краям разломов, происходили массивные излияния базальта, который химически связывал атмосферный углекислый газ). Вызванные т. о. снижения концентрации парниковых газов приводили к глобальным охлаждениям Земли того или иного масштаба и продолжительности[4][5][6][7].

    Примечания

Источник: ru.wikiredia.com

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.


ободный 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 (, 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 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.


роды 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.

Кислородная катастрофа

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.

Источник: www.PopMech.ru