Эволюция кислорода

Эта статья посвящена истории атмосферы Земли — не столько ее современному состоянию, сколько выяснению, почему и как образовалась атмосфера, каковы были промежуточные этапы ее развития. Ответы на эти вопросы очень важны для решения проблем зарождения и эволюции жизни на Земле.

Одна из самых интересных и парадоксальных особенностей земной атмосферы — сравнительно высокое содержание кислорода (около 21%). В этом отношении Земля — уникальная планета солнечной системы. Жизнь не могла бы возникнуть в атмосфере со столь высоким содержанием кислорода, так как аминокислоты и другие вещества, необходимые для построения живого, быстро окислялись бы. В то же время мы не могли бы жить и дышать, не будь такой концентрации кислорода. Существование большинства современных форм жизни, в том числе многих растений, очень сильно зависит от кислорода и более того, от строго определенной его концентрации. Отсюда следует, что концентрация кислорода в земной атмосфере поддерживается сравнительно постоянной на протяжении длительного времени.
До недавнего времени ученые не могли прийти к общей точке зрения на то, как образовалась устойчивая атмосфера с современным содержанием кислорода. Существует очень полезный принцип, выдвинутый около 150 лет назад Гэттоном. Он объясняет геологическое и эволюционное разнообразие чрезвычайно медленными изменениями, которые мы наблюдаем в современных условиях, и не допускает, что в какое-то время происходили резкие изменения окружающей среды. Однако, как мы увидим, современное истолкование геологических данных приводит к мысли о внезапных взрывах эволюционной активности, которые нельзя объяснить, не предполагая существенных изменений в окружающей среде. Так, например, мы знаем, что многоклеточные формы жизни в океане возникли только в начале палеозойской эры, т. е. 600 млн. лет назад. Растительная жизнь обосновалась на суше примерно 420 млн. лет назад, по-видимому, тогда же появились и сухопутные животные. Единственные признаки какой-либо жизни в эпохи, предшествующие палеозойской эре — останки некоторых бактерий и других простейших организмов. Они были найдены, например, Герингом и Абельсоном в древнейших скальных породах, в любопытных формациях, называемых биогермами, часть которых имеет возраст почти 3 млрд. лет. Пласты осадочных глин в районе Великих озер, образовавшиеся около 2 млрд. лет назад, в изобилии содержат останки одноклеточных организмов. Процессы отложения некоторых руд тоже, видимо, проходили с участием бактерий, разлагавших химические соединения. Однако нет никаких свидетельств того, что формы жизни, существовавшей в воде, сколько-нибудь заметно усложнялись на протяжении этих миллиардов лет до начала палеозойской эры.

Земля, по-видимому, образовалась из небольших небесных объектов, которые не имели никакой изначальной атмосферы. Возникновение земной атмосферы началось после образования планеты. В результате локального нагрева, расплавления пород и действия вулканов в окружающее пространство выделялись газы. В первичной атмосфере должен был преобладать водород, водяные пары и углекислый газ. Постепенно ее состав изменялся за счет улетучивания более легких газов (водорода и гелия) в мировое пространство, а также связывания углекислого газа в карбонаты по мере того, как ширились пространства, занятые мировым океаном.

Сейчас в мире насчитывается примерно 500 действующих вулканов. Около 400 из них расположены в районе Тихого океана.

По оценкам Уилсона за счет современной активности вулканов к массе континентов ежегодно прибавляется по 4 км3 твердого вещества. Если умножить эту величину на возраст Земли, получится около 12 млрд. кмг. Это очень близко к современным оценкам объема всех континентов.

Кроме извержений твердого вещества, вулканы выделяют колоссальное количество газов. Объемная доля водяных паров в вулканических газах достигает 97%. Кроме того, в них присутствуют в различных количествах азот, углекислый газ, водород, двуокись серы, хлор, незначительные количества сероводорода, окиси углерода, метана, аммиака и т. д. Все эти вулканические пары и газы были связаны в скальных породах и затем высвобождались, иногда в процессе гигантского взрыва, через жерла вулканов.

Водяных паров п газов, высвободившихся на протяжении 3—4 млрд. лет, надо думать, было вполне достаточно, чтобы образовать современные океаны, а также достичь современной концентрации азота и других составных частей атмосферы, кроме кислорода. Но это исключение имеет особо важное значение. В процессе вулканической деятельности свободный кислород не выделяется. Вулканические температуры, а также присутствие железа, серы и других веществ в восстановленном состоянии — все это создавало условия для энергичного протекания химических реакций, в ходе которых весь кислород связывался.

Следовательно, в первичной атмосфере кислород совершенно отсутствовал. Это подтверждают и другие соображения. Древние осадки, возникавшие под действием эрозии на протяжении миллиардов лет, как известно, состоят из веществ, лишь частично окисленных, что указывает на низкое содержание кислорода в атмосфере. В последнее время Холланд пришел к выводу, что в далекой древности атмосфера Земли должна была обладать восстановительными свойствами (иначе говоря, в ней должен был преобладать водород).

Поскольку факты говорят об отсутствии кислорода в первичной атмосфере, немедленно возникает вопрос, как объяснить накопление в ней кислорода в последующее время. Свободный кислород должен был выделяться главным образом при распаде молекул воды на водород и кислород. Это могло происходить либо в результате прямой фотодиссоциации водяных паров под действием ультрафиолетовых лучей (главным образом, в диапазоне 1500—2000 А), либо за счет косвенного процесса, протекающего при фотосинтезе в зеленых растениях. На безжизненной планете был возможен только первый путь. Сколько же кислорода мог дать процесс фотодиссоциации?

Мы исследовали ультрафиолетовую часть спектра солнечного излучения. Наблюдения, выполненные с помощью ракет и спутников, позволили выяснить интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца, которое достигает земной атмосферы в интересующем нас интервале длин волн. Источник его — фотосфера Солнца, и, как было показано Уилсоном, это излучение постоянно на протяжении истории планеты.

Водород, получающийся при фотодиссоциации, должен был достаточно быстро улетучиваться из атмосферы в космическое пространство (пока еще неясно, с какой скоростью шел этот процесс) . Не мог долго оставаться в атмосфере вблизи поверхности и образующийся при фотодиссоциации кислород. Он должен был очень энергично вступать в реакцию с частично окисленными горными породами и другими веществами. В атмосфере некоторая часть кислорода расходовалась на образование озона, молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Молекулы озона обладают повышенной окислительной способностью и хорошо поглощают ультрафиолетовые лучи. Таким образом, в первичной атмосфере кислород расходовался на окисление веществ, слагавших поверхность планеты, и, кроме того, возможно, часть кислорода расходовалась на окисление водорода — восполнение водяных паров в определенных слоях атмосферы.

Простыми расчетами можно показать, что энергии ультрафиолетового излучения вполне достаточно для того, чтобы высвободить на протяжении истории Земли за счет фотодиссоциации водяных паров в сто с лишним раз больше кислорода, чем нужно для окисления всех осадочных пород, покрывающих континенты и дно океана. Однако за счет этого процесса не могла бы накопиться даже тысячная доля современного содержания кислорода в атмосфере.

Доктор Гарольд Юри указал, что накопление кислорода в результате фотодиссоциации становится саморегулируемым. Водяные пары содержатся в основном в нижних слоях атмосферы, поскольку из более холодных слоев, располагающихся выше, они выпадают в виде осадков. По мере того, как водяной пар разрушается ультрафиолетовыми лучами с выделением свободного кислорода, этот кислород располагается над тем уровнем, где сосредоточена основная масса водяных паров. В результате он поглощает излучение в том самом диапазоне длин волн, в котором происходит расщепление водяного пара.

Оставить комментарий

Я не робот.

БЛОГ О ЗАРАБОТКЕ!
Статистика