На сегодняшний день 21% воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного кислорода. Но этот газ не всегда был в таком количестве, не всегда мог поддерживать жизнь — более того, практически отсутствовал в атмосфере в первые 2 миллиарда лет истории Земли. Когда же кислород впервые начал собираться на Земле? Ученые Массачусетского технологического института нашли ответ. В работе, опубликованной на днях в Science Advances, группа ученых сообщила о том, что атмосфера Земли испытала первый ощутимый и необратимый впрыск кислорода примерно 2,33 миллиарда лет назад. Этот период ознаменовал начало Великой оксигенации — события, после которого кислород начал свое победоносное наступление на Землю.

Ученые также определили, что этот первоначальный рост атмосферного кислорода, хоть и небольшой, произошел всего за 1-10 миллионов лет и вызвал череду событий, которые впоследствии привели к распространению многоклеточной жизни.

«Это начало очень длинного периода, который вылился в сложную жизнь, — говорит Роджер Саммонс, старший автор работы и профессор отделения земных, атмосферных и планетарных наук в MIT. — Потребовалось примерно 1,7 миллиарда лет, чтобы развились животные, подобные тем, что у нас есть сегодня. Но присутствие молекулярного кислорода в океане и атмосфере означает, что организмы, которые дышат кислородом, могли процветать».

В воздухе запахло кислородом

В общем и целом ученые соглашаются в том, что кислород, несмотря на нехватку в атмосфере, скорее всего, варился в океане как побочный продукт фотосинтеза цианобактерий уже 3 миллиарда лет назад. Но как отмечает Саммонс, кислород в древнем океане «мгновенно всасывался» голодными микробами, двухвалентным железом и другими желающими, не давая ему убегать в атмосферу.

«В воздухе могли быть утечки кислорода и раньше, но их продолжительность и содержание в настоящее время измерить невозможно», говорит Саммонс.

Все изменилось с периодом Великой оксигенации, который положил начало постоянному присутствию кислорода в атмосфере. Предыдущие оценки помещали начало ВО на уровне около 2,3 миллиарда лет назад с неопределенностью от десятков или сотен миллионов лет.

«Датировка этого события оставалась довольно неточной до сих пор», говорит Саммонс.

Вынужденный переход

Чтобы точно определить время протекания ВО, коллеги Саммонса сначала проанализировали породы того периода в поисках конкретного рисунка изотопа серы. Когда вулканы извергаются, они выбрасывают серные газы, которые могут химически и изотопно разделяться под воздействием ультрафиолетового излучения. Структура изотопов, образующихся в этом процессе, зависит от того, присутствовал ли кислород выше определенного порога или же нет.

Ученые пытались выделить крупный переход в определенной картине изотопа серия — масс-независимую фракцию изотопов серы (S-MIF), дабы определить, когда кислород впервые появился в атмосфере Земли. Для этого они изучали осадочный керн, собранный в ходе экспедиции ученых в Южную Африку.

«Женьмин Луо — очень старательный парень, — говорит Саммонс о другом ученом, принимавшем участие в написании этой работы. — Он обнаружил следы S-MIF в глубоких породах, отсутствие этих следов в неглубоких породах, но между ними — ничего. Поэтому он вернулся обратно в Южную Африку».

Там он взял образцы из остальной части осадочного керна и у двух поблизости и выяснил, что переход S-MIF — означающий перманентное преодоление кислородом вышеупомянутого порога — произошел 2,33 миллиарда лет назад, плюс-минус 7 миллионов лет. Неопределенность гораздо ниже, если сравнивать с предыдущими оценками.

Также ученые обнаружили большое фракционирование изотопов серы-34, что указывает на повышение уровня морских сульфатов в это же время. Такой сульфат должен был появиться вследствие реакции между атмосферным кислородом с сульфидными минералами на суше, а также с диоксидом серы из вулканов. Затем этот сульфат использовался обитателями океана, сульфат-дышащими бактериями, с производством определенной картины серы-34 в нижележащих слоях осадочных пород, которые были датированы между 1 и 10 миллионами лет после перехода S-MIF.

Эти результаты свидетельствуют о том, что первоначальное накопление кислорода в атмосфере было относительно быстрым. С момента своего первого появления 2,33 миллиарда лет назад, кислород накапливался в достаточно высоких концентрациях, чтобы оказывать выветривающий эффект на породы уже через 10 миллионов лет. Этот процесс выветривания выщелачивал больше сульфата и некоторых металлов в воду и, следовательно, в океаны. Саммонс указывает на то, что прошло некоторое время, прежде чем земная система достигла стабильного состояния путем захоронения органического углерода и превысила порог кислорода, необходимого для дальнейшего стимулирования биологической эволюции.

«Сложная жизнь не могла утвердиться на планете, пока кислород оставался уделом океанских глубин, — говорит Саммонс. — И потребовалось много, много времени. Но это первый шаг в целой серии процессов».

Теперь, когда ученые ограничили сроки протекания ВО, Саммонс надеется обнаружить и другие подсказки, которые приведут к причине или механизму этого события. Одна из гипотез, которую хотят изучить ученые, это связь между внезапным и быстрым появлением кислорода и «Землей-снежком», периодом, когда континенты и океаны Земли были в основном покрыты льдом.

Кроме того, нужно понять, почему эти наши 21% кислорода в атмосфере остаются такими стабильными достаточно долгое время.

Источник: Hi-News.ru

МОСКВА, 5 апр — РИА Новости. Новые данные, полученные при изучении изотопных отношений в породах палеопротерозойского возраста Южной Африки, указывают на то, что кислород стал постоянным компонентом атмосферы Земли 2,22 миллиарда лет назад, что на 200 миллионов лет позже, чем предполагали ранее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.Считается, что изначально атмосфера Земли бела бескислородной, а примерно 2,43–2,45 миллиарда лет назад произошло ее существенное обогащение кислородом. Это событие, которые ученые называют кислородной революцией, сделало возможным развитие жизни на Земле в том виде, в котором мы ее знаем.Исследователи из США, Великобритании и Дании проанализировали состав морских осадочных пород из Южной Африки, относящихся по возрасту своего образования к палеопротерозою — от 2,5 до 1,6 миллиарда лет.
изотопным сигнатурам серы, железа и углерода ученые смогли детально восстановить картину изменения окислительно-восстановительных условий в океане того периода, а отсюда — и определить уровни кислорода в древней атмосфере.Оказалось, что первоначальное обогащение кислородом, до значений порядка 10-5 от современного, действительно произошло около 2,43 миллиарда лет назад. Но затем уровень O2 неоднократно то падал, то снова повышался, прежде чем примерно 2,22 миллиарда лет назад он стал постоянным компонентом атмосферы Земли.По мнению авторов, эти колебания позволяют объяснить экстремальные климатические изменения, имевшие место в раннем протерозое, когда за относительно короткий с геологической точки зрения период Земля пережила четыре оледенения — вся планета целиком покрывалась льдом и снегом на несколько миллионов лет.Ученые объясняют это резкими изменениями соотношения атмосферных газов — кислорода с одной стороны, и парниковых газов, таких как метан и углекислый газ — с другой. Известно, что чем выше уровень последних, тем сильнее парниковый эффект, с которым связано потепление на планете. Смещение в сторону кислорода, наоборот, приводит к резкому похолоданию и наступлению очередного ледникового периода.Возможно, считают исследователи, основными источниками парниковых газов были вулканы, и периоды потепления связаны с активными фазами вулканизма.
когда вулканы успокаивались, снова наступало оледенение.»Перед началом этой работы мы задались вопросом, почему произошли четыре ледниковых события, если кислород уже был постоянным компонентом атмосферы, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова одного из авторов исследования Андрея Беккера (Andrey Bekker) из департамента наук о Земле и планетах. — Мы обнаружили, что окончательный подъем кислорода на самом деле произошел только после четвертого, последнего оледенения эры палеопротерозоя, а не до него, и это, в нашем понимании, и есть решение главной загадки».Таким образом, считают ученые, кислородная революция, после которой наступил длительный период экологической стабильности, произошла на 200 миллионов лет позже, чем считали ранее. «Раньше мы думали, что после того как уровень кислорода поднялся, он больше никогда не возвращался к низким уровням, — продолжает Беккер. — Теперь мы выяснили, что он колебался, опускаясь до очень низкого уровня, и это может иметь драматические последствия с точки зрения понимания событий вымирания и эволюции жизни».»Мы не сможем понять причины и последствия атмосферной оксигенации — наиболее значимого фактора, влияющего на пригодность планеты для жизни, — если мы не узнаем, когда на самом деле произошло постоянное насыщение атмосферы кислородом», — говорит первый автор статьи Саймон Поултон (Simon Poulton), биогеохимик из Университета Лидса в Великобритании.Второе значимое повышением содержания кислорода в атмосфере произошло полтора миллиарда лет спустя, на рубеже протерозоя и кембрийского периода, обеспечив условия для развития сложных форм жизни.

Источник: ria.ru

Считается, что примерно 2,7 миллиарда лет назад жившие в океане цианобактерии научились добывать кислород из воды и солнечного света, а спустя еще примерно 300-400 миллионов лет кислород начал накапливаться в земной атмосфере. Однако результаты недавнего исследования, возможно, заставят уточнить эту гипотезу.

Гипотеза о появлении кислорода в атмосфере основана прежде всего на изучении минеральных отложений, известных как полосчатые железорудные формации, ПЖФ (в них чередуются слои — полоски — оксида железа и кварца). Предполагается, что слои оксида железа в этих древних формациях не могли появиться иначе как в результате взаимодействия железа с кислородом, производившимся цианобактериями. Этим же объясняется и разрыв между появлением цианобактерий и заметным накоплением кислорода в атмосфере: кислород, вырабатывавшийся с помощью фотосинтеза цианобактериями, попав в атмосферу, мгновенно вступал в реакцию с растворенным в океане железом. В конечном итоге на дне океанов образовались огромные залежи гематитов (Fe₂O₃) и магнетитов (Fe₃O₄).

Однако некоторые ученые призывают не сбрасывать со счетов и другую возможность происхождения ПЖФ.
90-е годы прошлого века немецкие исследователи обнаружили, что пурпурные бактерии — микроорганизмы, появившиеся еще раньше, чем цианобактерии — способны окислять железо без участия кислорода (в ходе анаэробного фотосинтеза, используемого ими для получения энергии из света и двуокиси углерода). А если так, то получается, что слои оксида железа в ПЖФ уже не могут выступать в качестве надежного доказательства наличия в древней атмосфере кислорода.

Недавние опыты, проведенные специалистами из Калифорнийского технологического института, немецкого Университета Тюбингена и канадского Университета Альберты, подтвердили тот факт, что слои оксида железа в ПЖФ на самом деле могли появляться в результате деятельности пурпурных бактерий. Клаудия Паскуэро (Claudia Pasquero) из Калифорнийского института определила даже толщину слоя пурпурных бактерий, который был бы необходим для полного окисления проходивших через него частиц железа. Ее расчеты показали, что она должна составлять около 17 метров (сейчас бактериальные слои такой толщины можно найти, например, в Черном море).

«Суть вопроса в том, как именно произошли ПЖФ, — говорит Диана Ньюман (Dianne Newman) из Калифорнийского института. — Считается, что ПЖФ отражают историю появления кислорода на Земле, но это может быть справедливо по отношению не ко всем из них».

В данный момент ученые заняты поиском биомаркеров, которые позволили бы надежно отличать ПЖФ, появившиеся под воздействием разных типов бактерий, говорится в пресс-релизе Калифорнийского института.

См. также:
1,6 млрд лет назад в океане нечем было дышать — «Элементы», 11.10.2005
Первые млекопитающие появились благодаря насыщению атмосферы кислородом — «Элементы», 30.09.2005
Новая модель объясняет, почему в атмосфере Земли так медленно накапливался кислород — «Элементы», 10.08.2005
Сложная жизнь без кислорода невозможна — «Элементы», 21.06.2005

Источник: elementy.ru

Ученые из Калифорийского университета в Дэвисе опубликовали в журнале Science статью, в которой экспериментально подтверждают свою гипотезу, объясняющую появление на Земле кислорода нерастительного происхождения.

Почти все живое использует для дыхания кислород. Не вникая особенно в физику и химию процессов клеточного дыхания, скажем, что выбор эволюции пал на кислород из-за его высокой способности к окислению, то есть тому, чтобы легко присоединять лишний электрон. Электрон поступает в электротранспортную цепь от НАДH или ФАДH₂ путешествует по ней, и все заканчивается синтезом молекулы АТФ – материальным эквивалентом запасенной энергии и присоединением электрона к кислороду. Вся эта реакция становится возможной, потому что такой перенос электрона энергетически выгоден, а это частично обусловлено свойствами кислорода.

Когда жизнь на Земле зарождалась, кислорода в атмосфере практически не было, как нет его сегодня на Венере или Марсе. Древние бактерии были вынуждены использовать другие окислители, зачастую энергетически менее выгодные, зато доступные. NO₃^–, NO₂^–, Fe³⁺, фумарат и диметилсульфоксид, используемые некоторыми видами бактерий, обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом и менее выгодны в качестве окислителей. Многие бактерии, использующие один из этих окислителей, способны также и к кислородному дыханию. При наличии кислорода они дышат им (это выгоднее), а когда кислорода нет, – другим своим окислителем (надо же как-то). Серосодержащие окислители (S, SO₄^–) обладают более низким окислительно-восстановительным потенциалом. Это, однако, делает кислород токсичным для соответствующих микроорганизмов, и в атмосфере, содержащей кислород, они погибают. У более высокоорганизованных жизненных форм анаэробное дыхание встречается редко и почти никогда не служит основным источником энергии.

Могли ли высокоразвитые формы жизни использовать в качестве окислителя не кислород? Кислород в качестве окислителя энергетически выгоднее большинства других субстратов (чем ниже окислительно-восстановительный потенциал окислителя, тем больше энергии выделяется при прохождении электрона через электротранспортную цепь). Значит, дышащие кислородом организмы обладали более эффективным метаболизмом, были лучше адаптированы. С энергетической точки зрения серосодержащие субстраты тоже вполне выгодны. Проблема, правда, заключается в том, что обладатели такого типа дыхания гибнут в присутствии кислорода. До сих пор не вполне понятно, почему именно это происходит. То есть, если бы в атмосфере Земли не появился кислород, со временем обладатели сульфатного дыхания могли бы эволюционировать и дальше. Но кислород появился, и им пришлось отправиться в «резервации», куда кислород не поступает.

Вопрос в том, откуда появился кислород. На сегодняшний день в атмосфере Земли примерно 20% кислорода. В таких огромных количествах его выделяют фотосинтезирующие растения, в основном, деревья и водоросли. Но фотосинтезирующие растения сами теперь в большинстве своем дышат кислородом. Чтобы в ходе эволюции мутации, позволяющие дышать кислородом, закрепились, это должно быть выгодно, значит, должен быть кислород. В большом количестве кислород на Земле появился благодаря цианобактериям. Это азотфиксирующие бактерии, умеющие фотосинтезировать. То есть массово кислород появился на Земле как побочный продукт фотосинтеза. Это событие называют «Кислородной катастрофой», видимо, за масштаб последствий.

А вот на вопрос о том, был ли кислород до этого, остается открытым. Последние 40 лет все увереннее стали говорить, что кислород был и до Кислородной катастрофы, и вот теперь возможность его существования подтверждена экспериментально.

До сегодняшнего дня был известен только один способ возникновения молекулярного кислорода в тогдашних условиях. Он состоит из двух стадий: диссоциации углекислого газа под воздействием солнечного ультрафиолета на угарный газ и атомарный кислород и реакции двух атомов кислорода, требующей третьего участника: атомы объединяются в молекулу, а носитель (M) уносит лишнюю энергию.

CO₂ + hν(UV) → CO + O

O+O+M → O₂ + M

Однако же расчеты, а затем и эксперимент, проведенные авторами обсуждаемой статьи показали, что кислород может под действием ультрафиолета образовываться из углекислого газа в один шаг:

CO₂ + hν(UV) → C+O₂

В эксперименте использовался лазер с длиной волны 200 нм, свет с такой длиной волны обычно поглощается атмосферой, поэтому реакция должна была протекать в верхних ее слоях. Такая реакция может и сейчас, когда содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается, происходить в верхних слоях атмосферы Земли, а может и в атмосферах других планет.

Источник: polit.ru