Кислород на земле. Откуда берется кислород? Кислород: история элемента в эволюции

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 ФАДH 2 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. NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , 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, SO 4 -) 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.

CO 2 + hν(UV) → CO + O

O+O+M → O 2 + 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:

CO 2 + hν(UV) → C+O 2

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.

Не одно столетие между учеными длятся дебаты о реальном источнике кислорода на Земле. По предварительным данным первую половину жизни планета Земля вообще была без кислорода. Большая часть ученых выдвигает теорию о том, что 2,4 млрд лет назад кислород на Земле был незначительным. Кислородом наша атмосфера наполнялась постепенно.

Как на Земле появился кислород? Считается, что основной источник кислорода на Земле - цианобактерии. Это фотосинтезирующий микроб, который порождает кислород. И благодаря цианобактерии произошел резкий скачек содержания кислорода в атмосфере. Но когда и благодаря чему появились эти микробы пока до конца не известно. Также до конца еще не понятно как именно происходил процесс наполнения атмосферы Земли кислородом. Известно, что это было сочетание резкого глобального похолодания, зарождение новых видов, и появление новых минеральных пород. Как заявил Доминик Папине (специалист института Карнеги, Вашингтон), учение пока не в силах четко определить, что было причиной, а что следствием. Многое произошло практически одновременно и по этой причине так много разных несостыковок и противоречий. Чтобы больше прояснить геологическую сторону этого вопроса, Доминик Папине детально изучает процесс образование железа, а также осадочных пород, что формируются на самом дне древних морей.

Его исследования направлены на особые минералы. Эти минералы содержаться именно в образованиях железа, и они вполне могут быть связаны с возникновением жизни древних микробов и их смерти. Минералы железа, которые находятся довольно на дне морей – самый большой источник железной руды. И это не просто материал для изготовления стали. По словам геологов именно в нем скрыта богатая история зарождения жизни на планете Земле.

А происхождение этого источника до сих пор остается большой загадкой. Ученые выяснили, что для его формирования нужна помощь особых микроэлементов, но, правда, пока неизвестно каких именно. Эти морские организмы простые одноклеточные, но к сожалению никакой информации они не оставили после себя. И исследователи не могут теперь узнать, какими именно они были, и что из себя представляли.

Предполагают, что строителем таких железных минералов была именно цианобактерия. Кислород, который выходил из нее окислял железо в морях и океанах еще далеко до того как произошел великий кислородный взрыв. Но остается не ясным одно. Цианобактерия, появилась на планете Земля задолго до накопления кислорода. Выходит, что прошли сотни миллионов лет, перед тем как наша атмосфера наполнилась кислородом?

Возможно ответ в сложном переплетении биологии и геологии. Кислород, который выдыхала цианобактерия, мог разрушаться метаном. А при взаимодействии двух этих газов формируются вода и углекислый газ. Ученые отметили, что кислород никак не может накапливаться в среде богатой на метан. Метаногены вырабатывали метан и перекрывали все пути к накоплению кислорода на планете и еще нагревали Землю в результате парникового эффекта. А после того как планета Земля наполнилась кислородом количество данных организмов сократилось.

Все мы знаем со школы, что дышим кислородом. Или воздухом, содержащим кислород. С тех же времен нам известно, что кислород вырабатывают растения, а мы выделяем углекислый газ. Так оно и есть, но влияет ли это сколько ни - будь на атмосферу планеты?

Или мы просто незначительно переводим газосодержащий воздух из одного состояния в другое, который смешивается с воздушным океаном, восстанавливая первоначальный баланс воздушной смеси, свойственный атмосфере земли на настоящий момент, ничего не изменив в общем окружающем воздушном пространстве.

Кислород и вода это единая водновоздушная система на данном этапе эволюции нашей планеты, воздействовать на которую мы не в состоянии.

В далеком прошлом были гигантские пожары, когда сгорали леса целых континентов. Горели вырвавшийся из недр газ, бьющая фонтаном нефть. Выгорали торфяники, угольные пласты. При этом в большом количестве на горение потреблялся кислород.

Всё, что мы, люди, сжигаем за всю нашу сознательную историю – это ничто по сравнению с континентальным пожаром! По сравнению с горящим нефтяным морем, которое горит третий год! И оно еще будет гореть два года, пока полностью не выгорит. А что с кислородом? Он есть в воздухе, и поддерживает горение нефтяного моря. Кроме того, при наличии воды на планете, при понижении уровня кислорода запускается процесс активного его восстановления до исходного уровня.

Гниение растений

Деревья вырабатывают кислород, но они его - же и потребляют при дыхании и гниении опавшей листвы. Какое – то количество кислорода дерево вырабатывает за свою жизнь. Но после смерти, на гниение ствола дерева уйдет кислорода столько же, если не больше, чем оно выработало за свой век.

Предположим, что кислород вырабатывают растения.

У нас на земном шаре растут леса в Северной и Южной Америке, в Сибири в Африке, и в Индии. То - есть локально, не повсеместно. Нет деревьев в горах, в пустынях, в степях, в заснеженных Северном и Южном полюсах. Если посмотреть на карту, то получается несколько маленьких участков суши, где есть леса, которые как бы являются «легкими» нашей планеты. Допустим.

Мы знаем, что существует круговорот воды в природе. Тут вопросов нет. Мы знаем, что существуют теплые и холодные воздушные потоки. Существуют теплые и холодные течения в океанах. Все они существенно влияют на климат планеты.

А вот о круговороте кислорода в природе, почему – то никто не говорит. А собственно почему? Ведь там, где есть леса – кислорода должно быть больше. А там, где лесов нет, должна быть нехватка кислорода. Логически рассуждая, должны быть воздушные «кислородные» коридоры, по которым он вместе с ветром перемещался бы по планете. И должны быть участки, куда кислород не доходит. Но нам никогда не объявляли штормовое предупреждение, скажем, о 10% снижении уровня кислорода в пустыне Гоби, из - за усилившегося восточного ветра. Пониженный процент кислорода бывает только на возвышенностях, чем выше гора – тем меньше кислорода.

Еще один удивительный момент. Зима. Вся Северная Америка и Евразия под снегом. В октябре все растения засыпают и только в апреле распускаются первые листочки. Все хвойные деревья тоже спят, и никакого кислорода не выделяют целых 6 месяцев! А мы этого не замечаем! Даже наоборот, говорим о какой – то зимней свежести! Ну, какая свежесть без кислорода!

Середина Тихого океана - до ближайшего леса 5 тысяч километров, а как легко дышится!

Напрашивается вывод: Воздушные потоки на планете перемещают огромное количество холодного и теплого воздуха, что изменяет климат на одной и той – же широте на несколько десятков градусов! А вот уровень содержания кислорода в воздухе остается неизменным на всей планете и составляет 21%. А так – как вырабатывается кислород лесами, которые размещаются на 15-20% площади земного шара, то такое равномерное распространение кислорода просто невозможно. Теория вырабатывания растениями кислорода для всей атмосферы Земли - несостоятельна.

Так откуда же берется кислород?

Предыдущая Метагалактика, сжимаясь, поглощает всю материю, в том числе и воду, и все газы вместе с кислородом. Рой Черных дыр сливается в единую Черную дыру. Происходит «утрамбовывание» материи собственной массой, или «Уничтожение Материи».

Вся материя Метагалактики собралась в единый Шар, так называемый Проматеринский Шар, с самой гигантской плотностью материи и с самым наивысшим уровнем сжатия. (См. статью «Происхождение нашей Вселенной»)

Запустился процесс «Возникновения Материи» или новой, нашей Метагалактики.

Эволюционная цепочка Возникающей Материи:

Проматеринский Шар – взрыв – Безымянный Шар – взрыв – Шар Квазар – взрыв – Шар Галактика – взрыв – Шар Звезда – выброс – Шар Планета – выброс – Шар Планета спутник.

Ядро нашей планеты является частичкой Проматеринского Шара. Только в процессе эволюции Новой (нашей) Метагалактики ядро Земли имеет самую низкую плотность материи и самый низкий уровень сжатия, по отношению к Проматеринскому Шару.

Таким образом, ядро Земли содержит в себе все элементы предыдущей Метагалактики.

Итак, после Марса Солнце в очередной раз выбросило часть своего ядра. Ядро вспыхнуло ярким светом, и по удлиненной эллиптической орбите стало двигаться вокруг Солнца, облучая сверх мощной радиацией все планеты Солнечной системы.

Так появилась новая звезда Земля.

Вскоре эта звезда погасла, превратившись в планету, и на ней начались процессы остывания.

Излияние магмы, первая затвердевшая кора, и огромное выделение газов.

А так как ядро содержит в себе все элементы предыдущей Метагалактики, в составе вырывающихся газов была и вода. Первоначальная вода была сверхтяжелая, со сверхтяжелым кислородом, такая вода обладала высокой радиоактивностью, но в процессе эволюции она стала такой, какой мы её знаем. В газе современного вулкана так же присутствует вода, только значительно в меньшем количестве.

Ну, а там где вода,- там и свободный кислород. Где из воды выделяется кислород? В океанах – возможно. Но судя по равномерному распределению кислорода в атмосфере земли, кислород выделяется из водяного пара в верхних слоях атмосферы, под воздействием солнечных лучей, и выпадает равномерно на всю планету, независимо от того экватор это или полюс.

События

Первая часть истории существования Земли была лишена кислорода, в этот период на ней не было жизни. До сих пор продолжаются дебаты относительно того, кто были главными биологическими игроками на безкислородной Земле, но большинство исследователей ищут корни данного вопроса в древнейших осадочных породах.

Большинство учёных предполагают, что количество кислорода на Земле было очень незначительным около 2,4 миллиардов лет назад, пока атмосфера не наполниласьь кислородом. Этот резкий скачок в содержании кислорода в атмосфере произошёл благодаря цианобактерии – фотосинтезирующему микробу, который выдыхает кислород.

Как и когда появились микробы, выдыхающие кислород, до сих пор не определено в связи с тем, что наполнение атмосферы кислородом представляло собой сложное сочетание глобального резкого похолодания, зарождения минеральных пород, а также появления новых видов.

"Мы пока не в состоянии определить, что является причиной, а что следствием", - отметил Доминик Папине, специалист вашингтонского института Карнеги. "Многие вещи произошли практически одновременно, поэтому так много неясностей". Для того, чтобы помочь разобраться в геологической стороне вопроса Папине изучает диапазон образований железа и осадочных пород, которые формируются на дне древних морей.

Исследование Папине сфокусировано на особых минералах, которые содержатся в образованиях железа, и которые могут быть связаны с возникновением жизни и смерти древних микробов. Минералы железа, находящиеся глубоко на дне морей, являются самым крупным источником железной руды. Тем не менее, этот источник представляет собой нечто большее, чем просто материал для изготовления стали. Геологи исследуют их, так как именно они имеют богатую историю, связанную с зарождением жизни на Земле.

Однако, их происхождение – это очень большая загадка. Самый последний вывод, к которому пришли большинство учёных, заключается в том, что для их формирования необходима помощь особых микроэлементов, к сожалению, пока ещё не выявлено каких именно. Эти простые одноклеточные морские создания не оставили ничего, что могло бы помочь исследователям воссоздать их образ и понять что они из себя представляют.

Возможно, что строителем этих железных минералов была цианобактерия, а кислород из этих бактерий и вызвал окисление железа в морях и океанах еще до великого кислородного взрыва. В таком случае почему, если цианобактерия на самом деле появилась задолго до накопления кислорода на Земле, прошло несколько сотен миллионов лет, прежде чем атмосфера наполнилась кислородом?

Возможно, Папине и его коллеги нашли ответ на вопрос в виде сложного переплетения биологии и геологии. Кислород из цианобактерии мог быть разрушен метаном. При взаимодействии этих двух газов образуется углекислый газ и вода. Также они отметили, что кислород не может накапливаться в богатой метаном среде.

Метан появился из бактерий под названием метаногены, результатом поглощения этими бактериями углекислого газа и водорода, и стало появление метана. По этому сценарию развития событий, метаногены и цианобактерии верховенствовали в древних морях и океанах, но количество метаногенов было больше, поэтому, когда они вырабатывали метан, он перекрывал пути кислорода на накапливание, а также нагревал планету в результате парникового эффекта. Но после того, как Земля стала "кислородной", количество этих организмов резко сократилось, что позволило атмосфере заполниться этим газом.

Всем известно, откуда берется кислород, но многие не знают истории появления этого элемента на планете. Это очень интересно, и, конечно, в двух словах невозможно описать этот сложный процесс, но я попробую рассказать о главных этапах.

Откуда на Земле появился кислород

Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо понять, как формировалась Вселенная. Итак, первыми элементами в ее первоначальном составе были гелий и водород, которые образовали и зажгли звезды. По мере выгорания синтезировались иные элементы, но вот соотношение водорода к кислороду составляло 1 к 1000. То есть лишь малая часть их молекул вступила в реакцию, создав воду. Она превратилась в лед, который до сих пор содержится в кометах. На момент формирования Земли кислорода было более чем достаточно, однако, он был связан в минеральных соединениях и с водородом: в виде твердой и газообразной воды.

Выходит, что кислород присутствовал на планете еще задолго до первых растений, а уже они путем химических реакций начали высвобождать его в атмосферу. Поскольку молекулы кислорода весьма активно вступают в химические реакции, растения - ключевое условие для поддержания необходимого баланса в атмосфере.

Кислород: история элемента в эволюции

Первые организмы питались тем, что присутствовало в «первичном бульоне», то есть простейшей органикой. Побочным продуктом был углекислый газ, который накапливался в атмосфере. Но вскоре запасы органики истощились, и организмы эволюционировали, став анаэробными - способными самостоятельно синтезировать питательные вещества из CO2 и водорода, выделяя метан. Далее было следующее:

• водород давал энергию для жизненных процессов, но запасы его стали истощаться;
• возникла новая форма жизни с использованием фотосинтеза, где в качестве побочного элемента стал кислород;
• он стал накапливаться в атмосфере.

Биологи утверждают, что кислород тогда был настоящим ядом для всего живого, а потому возникла необходимость в новых формах, которые стали применять его для поддержания жизни - возникло кислородное дыхание.