Кислородная катастрофа: Кислородная катастрофа на замедляющейся Земле

Кислородная катастрофа на замедляющейся Земле

Древние микробы создали кислородную атмосферу только после того, как земной день стал длиннее.

Кислород в земной атмосфере появился не сразу, точнее, какое-то количество его было, но дышать таким воздухом было нельзя. И в океанах тогда жили организмы, которые вполне обходились без кислорода. Тогдашние микробы были способны к фотосинтезу – то есть они умели синтезировать органические молекулы с помощью энергии света – но то был бескислородный фотосинтез: кислорода эти микробы не выделяли.

Колонии цианобактерий. (Фото: Specious Reasons / Flickr.com) 

Открыть в полном размере

‹

›


Но вот однажды некие цианобактерии научились кислородному фотосинтезу, и жизнь на Земле уже никогда не вернулась к прежней: атмосфера радикально изменилась, и те организмы, которые хорошо чувствовали себя в бескислородной атмосфере, были вынуждены уйти в подполье, уступив «кислородным» формам жизни. Произошло это около 2,3 млрд лет назад. С другой стороны, уровень кислорода в атмосфере вырос не так уж быстро. Первые цианобактерии, способные к кислородному фотосинтезу, появились в морях и океанах около 3,5 млрд лет назад. И должно было пройти ещё около миллиарда лет, чтобы в горных породах появились следы кислорода, указывающие на то, что в атмосфере его стало достаточно много.


Почему кислород накапливался так долго? Возможно, он накапливался бы ещё дольше, если бы не случилось чего-то, что помогло цианобактериям изменить атмосферу. Сотрудники Института морской микробиологии Общества Макса Планка вместе с коллегами из Мичиганского университета полагают, что это «что-то» – замедление вращения Земли вокруг своей оси.


На самом деле известно, что сутки на Земле не всегда были одинаковы, и когда-то давным-давно молодая Земля крутилась вокруг своей оси намного быстрее, чем сейчас. Так, 4,5 млрд лет назад сутки длились всего 6 часов. Около 2,4 млрд лет из-за влияния Луны вращение Земли замедлилось, и сутки растянулись до 21 часа. Затем гравитационное взаимодействие Луны и Земли стабилизировалось, и в течение миллиарда лет сутки оставались постоянными. Но 700 млн лет назад Луна снова повлияла на Землю, и та замедлилась ещё немного – и сутки выросли до сегодняшних 24 часов.


Для фотосинтеза, как мы понимаем, нужен свет. Ещё в 2016 году было высказано предположение, что скачки кислорода в земной атмосфере соответствуют замедлениям Земли и увеличению светового дня. Действительно, первый раз кислорода стало больше как раз около 2,4 млрд лет назад – то была кислородная катастрофа. Но потом уровень кислорода увеличивался ещё пару раз, и эти увеличения по времени происходили примерно после того, как Земля начинала медленнее вращаться.



Сообщество цианобактерий (бактериальный мат) на дне озера Гурон. (Фото: Phil Hartmeyer / NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary)


В статье в Nature Geoscience описаны эксперименты с современными цианобактериями, которые подтверждают связь кислородной катастрофы с увеличением земных суток. Цианобактерий для эксперимента взяли в озере Гурон: они живут здесь в таких местах, где, с одной стороны, достаточно света для фотосинтеза, а с другой стороны, в воде очень мало кислорода и много оксида серы, что отчасти напоминает дно доисторического океана. То есть цианобактерии из Гурона можно до какой-то степени считать похожими на тех, которые миллиарды лет назад начинали насыщать кислородом земную атмосферу. Сам по себе эксперимент был достаточно прост: цианобактерий перенесли в лабораторию, где им давали разное количество света, имитируя более короткие и более длинные сутки – и с более длинными «сутками» цианобактерии давали больше кислорода.


Правда, дело в том, что кислород нужен и самим цианобактериям, для их собственного метаболизма, для дыхания. Но по новым расчётам, добавочные дневные часы, появляющиеся при замедлении Земли, позволяли цианобактериям наработать избыток кислорода – избыток, который самим цианобактериям не был нужен и который уходил из бактериальных сообществ (или бактериальных матов) в окружающую воду, а из неё – в воздух.


Исследователи масштабировали лабораторные результаты на планету целиком. Как менялось содержание кислорода в атмосфере, известно по геологическим отложениям, и оказалось, что лабораторное повышение уровня кислорода соответствует его историческому накоплению: кислорода в атмосфере становилось больше одновременно с увеличением светового дня, и уровень его стабилизировался тоже вместе со световым днём.


Первые цианобактерии с кислородным фотосинтезом не могли поделиться кислородом с атмосферой: день был короток, и весь кислород, который они успевали насинтезировать, они тратили на собственные нужды. Но когда Земля замедлилась в первый раз и день сильно увеличился, в цианобактериальных матах появился лишний кислород для атмосферы.


Авторы работы рассматривали только те цианобактерии, которые сидят на морском дне и образуют плотные сложноустроенные колонии (те самые бактериальные маты). Другие исследователи полагают, что свою роль в создании кислородной атмосферы могли сыграть и свободноплавающие фотосинтетики.


С другой стороны, накоплению кислорода могли мешать вулканы, выбрасывающие огромное количество минералов, химически связывающих кислород. Эти и другие факторы следует учесть в итоговой модели, но вряд ли они кардинально изменят саму модель: видимо, древние микробы сумели насытить нашу атмосферу кислородом и впрямь только после того, как земной день стал длиннее.

Почему на Земле произошла кислородная катастрофа и как на нее повлияла Луна

Большое количество кислорода в атмосфере нашей планеты возникло не сразу. До его появления, в океанах жили организмы, которым не нужен был кислород. Микробы умели синтезировать органические молекулы, задействуя для этого энергию солнца. Проще говоря, они были способны к фотосинтезу, но кислород при этом не выделялся. Ситуация изменилась 3,5 млрд лет назад, когда возникли цианобактерии, способные к кислородному фотосинтезу. Правда в достаточном количестве необходимый для нашей жизни газ появился на планете не сразу, а примерно через один миллиард лет. В результате бактерии, привыкшие к безкислородной среде, вымерли или отправились в глубины океанов, а их место заняли новые организмы. Но почему на появление кислорода потребовался миллиард лет? Ученые утверждают, что Земле понадобилось бы еще больше времени, если бы не одно событие, которое помогло цианобактериям изменить атмосферу и радикально повлиять на жизнь на планете.

На Земле 3,5 млрд лет назад, когда сутки длились 6 часов, в атмосфере отсутствовал кислород

Кислород в атмосфере земли — что ускорило его появление?

Уровень кислорода на Земле повышался не равномерно, а ступенчато, то есть в какие-то моменты скорость насыщения им атмосферы увеличивалась. Отсюда и возникло предположение, что этому процессу что-то поспособствовало.

Группа ученых, которую возглавил Джудит Клатт из Института морской микробиологии Макса Планка, выдвинула интересное объяснение произошедшему на планете несколько миллиардов лет назад. По мнению ученых микроорганизмы смогли выделять больше кислорода в атмосферу в результате увеличения продолжительности светового дня. В те далекие времена Земля вращалась значительно быстрее, чем сейчас. Поэтому продолжительность суток была короче — около 6 часов. Соответственно световой день длился всего несколько часов.

Отсюда возникает вопрос, какая разница выделяющим кислород бактериям — длинный день на Земле и длинная ночи или короткий день и короткая ночь? Ведь количество поступающего солнечного света на землю не изменилось. Но, как выяснилось, разница все же есть.

Насыщение атмосферы кислородом ускорилось благодаря замедлению скорости вращения земли

Как продолжительность суток повлияла на кислород в атмосфере

Джудит Клатт с группой исследователей из Мичиганского университета изучали воду в воронке на Мидл-Айленде (острове на озере Гурон). В нее со дна просачиваются грунтовые воды, при этом уровень содержания кислорода крайне низкий. Другими словами, условия напоминают те, которые были на нашей планете в течение миллиардов лет до появления в атмосфере кислорода.

В воде живут в основном два вида микробов — пурпурные цианобактерии, которые производят кислород, а также белые сероокисляющие бактерии. Первые генерируют энергию с помощью солнечного света, вторые — с помощью серы. Чтобы выжить, эти бактерии каждый день исполняют своего рода «танец».

Почти весь кислород в атмосфере появился благодаря цианобактериям

Еще больше материалов о том, как зарождалась жизнь на Земле вы найдете на нашем Яндекс.Дзен-канале.

От заката до рассвета бактерии, поедающие серу, находится на поверхности, то есть над цианобактериями, блокируя им доступ к солнечному свету. Когда утром выходит солнце, поедатели серы движутся вниз, а цианобактерии поднимаются на поверхность, чтобы начать фотосинтез и производить кислород. Однако с момента восхода солнца и до того, как начинается процесс фотосинтеза, проходит несколько часов. То есть оказалось, что цианобактерии любят “поздно вставать”. В таком случае продолжительность светового дня непосредственно влияет на количество вырабатываемого бактериями кислорода.

Почему замедлилась скорость вращения Земли

Земля 3,5 млрд лет назад вращалась с невероятно высокой скоростью, но ситуация изменилась с появлением Луны. На Землю стала действовать ее гравитация. Кроме того, возникли приливы и отливы, которые также внесли свой вклад в замедление скорости вращения планеты.

Появлению современной жизни на планете мы обязаны Луне

Первое сильное замедление Земли произошло 2,5 млрд лет назад, и оно как раз совпадает с тем периодом, когда сильно увеличилось содержание кислорода в атмосфере. В результате произошла так называемая “кислородная катастрофа”. Затем замедление вращения прекратилось примерно на один миллиард лет. Это совпало с периодом, когда ускорение роста уровня кислорода в атмосфере отсутствовало. Около 600 миллионов лет назад вновь произошло замедление скорости вращения планеты, и в этот период времени также отмечается скачок уровня кислорода. К слову, скорость вращения нашей планеты нестабильна и по сей день. К примеру, в 2020 году было отмечено ее ускорение.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить научные объяснения самым захватывающим загадкам природы, а также быть в курсе последних открытий.

Сопоставив картину замедления вращения земли и насыщения атмосферы кислородом, ученые пришли к выводу, что между этими процессами есть взаимосвязь. Ключом к разгадке стали упомянутые выше исследования на Мидл-Айленде, которые описаны в журнале Nature Geoscience.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что именно Луна стала толчком к зарождению жизни на Земле в том виде, в котором она существует сейчас. Правда, Луна повлияло лишь косвенно, непосредственное участие в синтезе кислорода принимало лишь Солнце и цианобактерии. Но парадокс в том, что Солнце может в будущем и лишить Землю кислорода, уничтожив растения и цианобактерии.

Загадки природыНаучные исследования

Для отправки комментария вы должны или

Атмосфера Земли медленно теряет кислород / Хабр

Тропосфера — нижний очень тонкий слой атмосферы высотой 8-18 км, в котором сосредоточено 80% массы атмосферы Земли

Важность атмосферного O2 для биологических и геохимических процессов на Земле чрезвычайно высока. Поэтому учёные давно изучают, как изменялось содержание кислорода в истории нашей планеты. Это можно понять из расчёта парциального давления O2 и N2 в общем атмосферном давлении.

Несмотря на долгую историю вопроса, у специалистов до сих пор нет единого мнения об изменении атмосферного давления на протяжении последних 500 млн лет. Расчёты отличаются до 0,2 атм (см. диаграмму внизу). Даже за последние несколько миллионов лет нет ясной картины, как именно менялось атмосферное давление, парциальное давление и, следовательно, концентрация O2.


Вопрос непростой, ведь кислород из атмосферы постоянно потребляют животные, растения и даже камни. Группа учёных из Принстонского университета прояснила этот вопрос, изучив концентрацию воздушных пузырьков в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды.

Ледяной керн с глубины 1837 м с видимыми годовыми слоями

На сегодняшний день ледяные керны — самый надёжный и точный источник данных об атмосферном давлении. Максимальный возраст льда в кернах — 800 тыс. лет, поэтому исследования ограничены этим временным интервалом.

Добыча ледяных кернов на научной станции «Восток» в Антарктиде

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности, за последние 800 000 лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O2/N2 в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа — изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

«Мы проделали эти измерения больше из интереса, чем для подтверждения теории, — сказал один из авторов научной работы Дэниель Столпер (Daniel Stolper). — Мы не знали, что получится: будет кислород увеличиваться с годами, уменьшаться или оставаться на постоянном уровне».

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки. Нам нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать, в том числе, при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придётся повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

На Земле тоже не было кислорода в первые пару миллиардов лет. Согласно наиболее вероятной теории, примерно 2,4 млрд лет назад уровень кислорода резко подскочил благодаря активности цианобактерий, известных также как сине-зелёные водоросли. Этот период резкого изменения состава атмосферы с последующей перестройкой биосферы и глобальным гуронским оледенением в истории Земли известен как кислородная катастрофа.

Сине-зелёные водоросли — причина, по которой 2,4 млрд лет назад на Земле появился кислород в большом количестве и возникла более продвинутая жизнь

Такую же кислородную катастрофу можно устроить на Марсе.

Учёные ещё не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы. Одна из них — это происходит из-за увеличения скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода. Другая теория связана с изменением климата: за последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Пока что всё это лишь гипотезы, которые следует проверить.

В данный момент атмосфера Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,039% углекислого газа и небольшие примеси других газов. В ней также постоянно изменяется концентрация водяного пара, который считается одним из основных парниковых газов. На уровне океана концентрация H2O в атмосфере составляет около 1%, а в среднем — около 0,4%. Общая масса атмосферы — 5,5×1018 кг, то есть 5,5 зеттаграммов или 5,5 петатонн.

Накопление кислорода в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка. 1. 3,85-2,45 млрд лет назад. 2. 2,45-1,85 млрд лет назад: начало производства кислорода и поглощение его океаном и породами морского дна. 3. 1,85-0,85 млрд лет назад: окисление горных пород на суше. 4. 0,85-0,54 млрд лет назад: все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере. 5. 0,54 млрд лет назад — настоящее время

Утечка кислорода из земной атмосферы происходит медленно. Но учёные подчёркивают, что в их исследовании нет данных по изменению уровня кислорода за последние 200 лет, после начала Индустриальной революции, когда люди начали активно окислять углеводороды из земных недр, получая энергию от этой химической реакции и связывая большое количество кислорода из атмосферы. «Мы потребляем кислород в тысячу раз активнее, чем раньше, — говорит Дэниель Столпер. — Человечество полностью замкнуло [кислородный] цикл, сжигая тысячи тонн углерода… Это ещё одно свидетельство, что совместными усилиями люди способны значительно ускорить естественные процессы на Земле».

Научная работа опубликована 23 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aaf5445).

Первое массовое вымирание на Земле.

Цветение цианобактерий в озере Атитлан в Гватемале создало обширную мертвую зону в плодородном озере, показывая, что миллиарды лет спустя эти бактерии все еще могут вызывать горе.

Фотография NASA Earth Observatory/Jesse Allen, на основе данных NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS и американской/японской научной группы ASTER

Позвольте мне рассказать вам о катастрофе. Я не использую это слово легкомысленно: это событие было монументальным, апокалипсисом буквально глобального масштаба и одной из самых смертоносных катастроф в истории Земли.

Это началось примерно 2,5 миллиарда лет назад (хотя мнения расходятся). Тогда Земля была совсем другой. Не было ни листовых растений, ни животных, ни насекомых. Хотя на суше могла существовать какая-то бактериальная жизнь, именно океаны кишели ею, и даже там жизнь была намного проще, чем сегодня. Большинство бактерий, процветавших на Земле, были анаэробами, буквально усваивающими пищу без доступа кислорода.

Но тут появился выскочка, и все изменилось. Эта новая жизнь пришла в виде цианобактерий, иногда называемых сине-зелеными водорослями.

Цианобактерии являются фотосинтезирующими. Они преобразуют солнечный свет в энергию и производят кислород в качестве побочного продукта. Тогда в атмосфере Земли не было свободного кислорода, как сегодня. Он был заперт в молекулах воды или связан с железом в минералах.

Цианобактерии изменили ситуацию. Но не сначала: какое-то время, пока они производили свободный кислород в качестве отходов, железо связывалось с ним, и окружающая среда могла не отставать от его производства.

Однако в какой-то момент, когда цианобактерии процветали, минералы и другие поглотители стали насыщенными. Они больше не могли поглощать производимый кислород. Он накапливался в воде, в воздухе. Для других бактерий, живущих в океане — помните, анаэробных бактерий — кислород был ядовит. Цианобактерии буквально дышали ядом.

Началось вымирание, массовое вымирание, убившее бесчисленное количество видов бактерий. Это было Великое Оксигенационное Событие. Но было еще хуже.

Современные цианобактерии, увеличение в 2400 раз. Далекий предок этого растения изменил всю планету.

Фото Йозефа Райшига из Википедии

До этого времени в атмосфере не было реактивной молекулы. Но по мере увеличения содержания кислорода часть его соединяется с метаном, образуя углекислый газ. Метан является гораздо более эффективным парниковым газом, чем CO 2 , и этот метан согревал планету. Когда уровень упал, Земля остыла. Это вызвало массовое оледенение, глобальный ледниковый период, который захватил планету в свои тиски.

Все стало настолько плохо, что сами цианобактерии оказались под угрозой. Их собственная численность сократилась вместе с почти всей другой жизнью на Земле. Последовавшее за этим массовое вымирание было огромным.

Но было исключение: некоторые организмы могли использовать этот кислород в своих собственных метаболических процессах. Объединение кислорода с другими молекулами может высвободить много энергии, и эта энергия полезна. Это позволило этим микроскопическим растениям быстрее расти, быстрее размножаться, жить быстрее.

Анаэробные виды вымерли, уступив место растениям, сжигающим кислород, которые процветали в этой новой среде. Конечно, анаэробы не исчезли с Земли, но они были побеждены в средах с низким содержанием кислорода, таких как дно океана. Они больше не были доминирующей формой жизни на Земле.

Возможно, это было первое из массовых вымираний, с которыми столкнется жизнь на нашей планете, и его последствия отражаются на протяжении эпох (и, конечно, в этой истории довольно много подробностей). По сей день наша атмосфера богата кислородом, и большая часть многоклеточной жизни на Земле произошла от выскочек, дышащих кислородом, а не от анаэробов.

Интересная история, вам не кажется? Господствующая форма жизни на Земле, распространившаяся до самых дальних уголков земного шара, блаженно и беспечно выкачивающая огромное количество загрязнений, изменяющая окружающую среду в планетарном масштабе, решая свою судьбу. Они не смогли бы остановиться, даже если бы знали, что делают, даже если бы их предупредили задолго до того, какие эффекты они создавали.

Если это поучительная история, если есть какая-то мораль, которую вы можете извлечь из нее, вы можете извлечь ее для себя. Если вы это сделаете, возможно, вы сможете действовать в соответствии с этим. Можно надеяться, что в этом климате всегда возможны перемены.

  • Изменение климата

  • Глобальное потепление

Великое событие окисления: как цианобактерии изменили жизнь

Иллюстрация цианобактерий, Prochlorococcus spp. Источник: Дерек Тан/flickr.com.

Мы настолько привыкли к присутствию кислорода на нашей планете Земля, что воспринимаем его как должное. Однако кислород отсутствовал в земной атмосфере почти половину ее жизни. Когда Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, условия на ней были совершенно другими. В то время Земля имела восстановительную атмосферу, состоящую из углекислого газа, метана и водяного пара, в отличие от современной атмосферы, состоящей в основном из азота и кислорода. Хотя солнечный свет расщепил водяной пар в атмосфере на кислород и водород, кислород быстро прореагировал с метаном и заперся в земной коре, почти не оставив следов в атмосфере. Безмолвная таинственная сила работала над постоянным выделением кислорода, пока не изменился сам состав атмосферы. Эта загадочная сущность оказалась микробом: цианобактерией.

Enter Cyanobacteria

По словам известного биохимика Лесли Оргела, который первым исследовал происхождение жизни, самое раннее зарождение жизни на нашей планете произошло около 3,8 миллиарда лет назад. Поскольку предполагалось, что в то время на Земле отсутствовал кислород, обмен веществ в живых организмах был бы анаэробным, предполагающим использование минералов, присутствующих в океане, для выработки энергии. Однако около 2,7 миллиарда лет назад возникла особая группа микробов, известная как цианобактерии. Филогенетический анализ, основанный на 16S и 23s рРНК, реконструкциях генома и свидетельствах окаменелостей, использовался для понимания эволюционных характеристик этих ранних живых организмов. Эти микробы обладали замечательной способностью к фотосинтезу (то есть они могли генерировать энергию из солнечного света). Цианобактерии обладали механизмами для использования воды в качестве источника топлива путем ее окисления. Что еще более важно, побочным продуктом фотосинтеза оказался кислород.

Строматолиты представляют собой крупные слоистые структуры, образованные матами цианобактерий. Источник: Джеймс Сент-Джон/flickr.com.

Как крошечные цианобактерии могли быть предвестниками столь масштабных изменений? Среди всех биохимических изобретений, которые могла придумать жизнь, способность цианобактерий использовать воду в качестве топлива для производства кислорода должна считаться одной из самых гениальных. Исследователи предполагают, что уровень кислорода, выделяемого цианобактериями в морскую воду, со временем постепенно увеличивался, и что в течение 200–300 миллионов лет кислород производился быстрее, чем он мог реагировать с другими элементами или поглощаться минералами. Кислород, выделяемый цианобактериями, неуклонно накапливался на обширных участках океана и насыщал воду кислородом. Постепенно накопленный кислород стал уходить в атмосферу, где вступал в реакцию с метаном. По мере утечки кислорода метан в конечном итоге был вытеснен, и кислород стал основным компонентом атмосферы. Это событие, известное как «Великое событие окисления», произошло где-то между 2,4–2,1 миллиарда лет назад.

Изменение химического состава Земли

Великое событие окисления стало эпохальным моментом на линии эволюции и имело несколько серьезных последствий не только для климата Земли (косвенно), но также для адаптации и эволюции живых организмов. Исследователи выдвинули гипотезу о влиянии великого события окисления на климат Земли, тщательно оценивая геохимические и изотопные характеристики молекул в ранней атмосфере Земли, используя массовое моделирование и проводя исследования с участием чувствительных к окислительно-восстановительному потенциалу изотопов переходных металлов.

Эти исследования показывают, что химический состав земной атмосферы резко изменился по мере повышения уровня кислорода и замены метана (метан присутствует и сегодня, но в очень незначительных количествах). Кроме того, предполагается, что накопление кислорода в атмосфере привело к одному из самых ранних ледниковых периодов на Земле. Метан является парниковым газом, так как он улавливает тепло солнечного света и нагревает планету. Когда метан был вытеснен кислородом, глобальные температуры понизились настолько, что образовались ледяные щиты, которые простирались от полюсов до тропиков.

Кислород также был ответственен за формирование озонового слоя в атмосфере. УФ-излучение солнца расщепляет молекулы кислорода (O 2 ) на 2 атома кислорода, которые затем реагируют с другой молекулой кислорода с образованием озона (O 3 ). Озон действует как естественный солнцезащитный фильтр, предотвращая попадание вредного ультрафиолетового излучения на землю.

Великое событие окисления и появление аэробного метаболизма

Поскольку 2,7 миллиарда лет назад, когда появились цианобактерии, жизнь была полностью анаэробной, считается, что кислород действовал как яд и уничтожил большую часть анаэробной жизни, что привело к вымиранию. Исследователям оказалось сложной задачей оценить конкретные исчезнувшие линии из-за отсутствия конкретных ископаемых свидетельств и сложности оценки утраты видов. Однако созрели условия для следующего большого шага в эволюции: аэробного метаболизма.

Жизнь нашла способ выжить в ядовитой кислородной среде, используя богатый потенциал кислорода для дыхания. Поскольку кислород имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, он действовал как идеальный конечный акцептор электронов для выработки энергии после распада питательных веществ. Кислород вскоре стал незаменимым для метаболической деятельности. Организмы также разработали стратегии детоксикации реактивных окислительных соединений, образующихся в результате аэробного метаболизма. Хотя секвенирование и филогенетический анализ оценивают эволюцию детоксицирующих АФК ферментов еще до появления аэробных микробов, Великое событие окисления послужило катализатором для формирования направленной эволюции ферментов, таких как супероксиддисмутаза и каталаза. Организмы, которые не могли достаточно хорошо адаптироваться к кислороду, оставались в анаэробной среде.

Таким образом, высвобождение кислорода цианобактериями привело к изменениям в составе земной атмосферы, усилению аэробного метаболизма и, в конечном счете, к эволюции многоклеточности. Кислород — это основная молекула, которая делает Землю такой, какая она есть сегодня, гораздо более гостеприимной и красивой, чем ранняя Земля. Не будет преувеличением сказать, что своим существованием в нынешней форме мы обязаны цианобактериям.

Что было, когда появился кислород и чуть не убил всю жизнь на Земле?

НАСА

Хотя планета Земля сформировалась более 4,5 миллиардов лет назад, жизнь в нашем мире зародилась не более чем через несколько сотен миллионов лет. С тех пор все годы он процветал и развивался, что позволило ему найти способ существования практически во всех экологических нишах, которыми обладала Земля.

Но через 2 миллиарда лет после того, как Земля впервые сформировалась, жизнь почти закончилась. Атмосфера постепенно менялась из-за постепенного добавления кислорода, что оказалось смертельным для наиболее распространенного типа организмов, существовавших на Земле в то время. На сотни миллионов лет Земля вступила в ужасный ледниковый период, который заморозил всю поверхность: известный сегодня как сценарий «Земля-снежок». Это была катастрофа, которая почти полностью покончила с жизнью на Земле. Вот история нашей почти смерти и окончательного выживания.

Могана Дас Мурти и Патчамуту Рамасами / cca-sa-3.0

Один из самых простых экспериментов, который вы можете провести на уроке биологии, — это поместить группу клеток в питательный раствор, как дрожжи в патоке. Организмы сначала станут очень успешными, так как пищи в изобилии, нет конкуренции за ресурсы, и они могут легко выживать и размножаться. Если вы посчитаете живые организмы внутри, это число начнет расти в геометрической прогрессии.

Но вскоре все изменится.

Дрожжи употребляют в пищу в процессе ферментации. Клетки питаются сахаром, превращая его в спирт, АТФ (который используется для получения энергии) и углекислый газ в качестве побочного продукта. Но если у вас есть жидкий водный раствор и вы добавляете к нему углекислый газ, он образует угольную кислоту. В какой-то критический момент она становится слишком кислой для выживания дрожжей, и популяция падает.

CDC/ Maxine Jalbert, Dr. Leo Kaufman

Это может быть простой биологический сценарий, но его результаты почти универсальны. При практически отсутствии конкурентов или хищников и при наличии практически неограниченных ресурсов живое население будет расти экспоненциально. Он будет потреблять доступные ресурсы, производить любые продукты метаболизма, которые он производит, а затем воспроизводиться в количествах, превышающих уровень воспроизводства.

Следующее поколение будет потреблять больше, производить больше своих метаболитов и размножаться в еще большем количестве. Пока ресурсы находятся в свободном доступе, этот процесс будет продолжаться. То есть до тех пор, пока метаболические процессы, которым он подвергается, не достигнут критического уровня, когда он отравит окружающую среду. Если это похоже на то, что сделали дрожжи — или на то, что современные люди делают с CO2 — значит, вы правильно собрали все воедино. Организмы, если их не остановить, отравят свою среду обитания отходами собственного успеха.

Служба национальных парков США

Но мы не первые, кто столкнулся с этой проблемой, как и гораздо более примитивные дрожжевые клетки. На самых ранних стадиях нашей Солнечной системы возникла простая форма прокариотической жизни: одноклеточные организмы. Хотя мы не знаем свойств гипотетических протоклеток, которые теоретически дали начало первым одноклеточным организмам, есть явные доказательства существования одноклеточных бактерий к тому времени, когда Земле было около 500 миллионов лет: около 4 миллиардов лет назад.

Затем эволюция пошла в разных направлениях, как и ожидалось, чтобы заполнить все доступные экологические ниши. Возникли археи, способные выжить в морских глубинах вокруг гидротермальных источников. Плазмиды, несущие гены, отвечающие за новые способности, возникли как независимые молекулы ДНК, не связанные с самой бактериальной хромосомой. А спустя сотни миллионов лет появились первые полностью фотосинтезирующие организмы.

Министерство энергетики США / общественное достояние

К тому времени, когда мы перенесемся на 3,4 миллиарда лет назад, начнут появляться первые свидетельства фотосинтеза в живых организмах. Существует несколько различных способов фотосинтеза, но все они связаны с попаданием солнечного света определенной длины волны на молекулу, которая может его поглотить, возбуждая электрон, который затем может использовать свою энергию в жизненных процессах.

Многие организмы, такие как зеленые и пурпурные серные и несерные бактерии, используют различные молекулы для получения электронов в своих реакциях, такие как водород, сера и многочисленные кислоты. Но также появились организмы, использующие воду в качестве доноров электронов: цианобактерии, известные как сине-зеленые водоросли. В отличие от других (обычно, но не всегда, считавшихся ранее) организмов, цианобактерии производят молекулярный кислород в качестве побочного продукта.

Док. РНДр. Йозеф Райшиг, CSc. / cca-sa-3.0

Цианобактерии выживают и сегодня и являются единственными фотосинтезирующими прокариотами, производящими кислород. Они кажутся более развитыми, чем другие фотосинтетические прокариоты, не производящие кислород. Эти сине-зеленые водоросли обладают внутренними мембранами (в отличие от других), и известно, что они возникли не позднее 2,5 миллиардов лет назад.

Доказательства, которые у нас есть, очевидны: примерно в то же время в атмосфере Земли начали проявляться признаки наличия в ней свободного кислорода. Медленно, но верно содержание кислорода начало расти, и организм с, казалось бы, неограниченным ресурсом — солнечным светом — начал отравлять окружающую среду. Кислород, как видите, не только коррозионно-воспламеняющийся; это также причина величайшей климатической катастрофы в истории: Гуронского оледенения.

Kashif Pathan / flickr

Цианобактерии, добившиеся огромных успехов, быстро превратились в микробные маты, и это раннее присутствие атмосферного кислорода систематически удаляло ранний метан из атмосферы Земли. Преобразование метана в углекислый газ и воду значительно уменьшило парниковый эффект ранней атмосферы Земли. В то же время кислород, вырабатываемый цианобактериями, убил большинство других форм жизни, не использующих кислород, поскольку кислород был для них токсичен.

Учитывая, что выход энергии Солнца на ранних стадиях был намного ниже, это большое количество метана было единственным, что удерживало Землю как планету с относительно умеренным климатом. Из-за того, что кислород разрушает этот мощный парниковый газ, планета также не может удерживать свое тепло. Наступил величайший ледниковый период в истории, который привел к состоянию Земли-снежного кома примерно на 300 миллионов лет.

Виктор Понсе / Государственный университет Сан-Диего

Имеются неопровержимые доказательства невероятно холодных условий, охвативших всю планету в это время. Ледниковые отложения по всей северной части Северной Америки (но также обнаруженные даже в Австралии) представляют собой многочисленные отложения отложений, обнаруженные между слоями ледниковых отложений между 2,5 и 2,0 миллиардами лет назад. Доказательства прошлых оледенений, когда ледниковые отложения образовывались в тогдашних тропических широтах, были очень убедительными на протяжении более полувека.

Создание Snowball Earth, к сожалению, очень просто, так как процесс кажется безудержным. Если ледяные щиты продвигаются достаточно далеко от полярных регионов, это увеличивает общую отражательную способность планеты, а это означает, что Земля поглощает меньше солнечной энергии. Это приводит к дальнейшему охлаждению и образованию большего количества льда, в конечном итоге покрывающего всю поверхность планеты — включая континенты и океаны — льдом.

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт/Институт космических наук

Какой бы катастрофой это ни было для жизни на Земле, это не положило ей конец. Цианобактерии продолжали процветать, в то время как небольшие популяции других организмов, сталкиваясь с огромным давлением отбора и изменяющейся средой, развивались в другом направлении. У более сложных существ, накопивших большое количество генов и новых способностей, было больше шансов выжить, поскольку они были более устойчивы к изменениям.

Тем временем подо льдом продолжали извергаться вулканы. Эти накопления углекислого газа могут увеличить парниковый эффект в атмосфере, в то время как одновременное образование пепла может уменьшить отражательную способность Земли, что позволит нам в конечном итоге выйти из этой эпохи оледенения.

Европейский союз наук о Земле

Конец гуронского оледенения, который длился примерно 300 миллионов лет, совпадает с первым свидетельством эукариотической жизни, которое у нас есть. Теперь существовали клетки с закрытыми, разделенными органеллами, которые могли выполнять независимые функции. Позже эукариоты дали начало всем существующим сегодня протистам, растениям, грибам и животным; можно утверждать, что человеческая жизнь никогда бы не возникла, если бы кислород не разрушил нашу богатую метаном атмосферу и не привел к этому древнему сценарию Земли-снежка.

Кевин Гилл / flickr

Этот период времени в истории Земли, возможно, был величайшим массовым вымиранием, с которым когда-либо сталкивалась наша планета. Тем не менее, даже на этой примитивной стадии жизнь оставалась вездесущей и устойчивой, а уничтожение существующих доминирующих видов позволило другим, новым организмам развиться и подняться, чтобы заполнить пустующие экологические ниши. Великое событие оксигенации стало революционным событием в истории Земли. Без него жизнь, возможно, никогда не стала бы сложной, дифференцированной и способной породить такие разумные организмы, как мы.

Дополнительная литература о том, какой была Вселенная, когда:

  • Какой она была, когда Вселенная раздувалась?
  • Что было, когда начался Большой взрыв?
  • forbes.com/sites/startswithabang/2018/07/11/what-was-it-like-when-the-universe-was-at-its-hottest/»> Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
  • Что было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
  • Как это было, когда бозон Хиггса придал массу Вселенной?
  • Что было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
  • На что это было похоже, когда мы потеряли остатки нашей антиматерии?
  • forbes.com/sites/startswithabang/2018/08/22/what-was-it-like-when-the-universe-made-its-first-elements/»> Что было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
  • Что было, когда Вселенная впервые создала атомы?
  • Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
  • Что было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?
  • Что было, когда погибли первые звезды?
  • forbes.com/sites/startswithabang/2018/09/26/what-was-it-like-when-the-universe-made-its-second-generation-of-stars/»> Каково было, когда во Вселенной появилось второе поколение звезд?
  • Что было, когда Вселенная создала самые первые галактики?
  • Что было, когда звездный свет впервые прорвался сквозь нейтральные атомы Вселенной?
  • Как это было, когда образовались первые сверхмассивные черные дыры?